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漫谈中国核能发展(多图)/费良勇

4/14/2016 21:26| 发布者: 陈泱潮| 查看: 10977| 评论: 0|原作者: 陈泱潮

漫谈中国核能发展

费良勇

核能的利用改变了整个世界。核能的军事利用震撼了人类,也可能毁灭全球。核能的和平利用会造福人类,也可能带来灾难。同美苏英法等核大国一样,中国的核能利用也走了先军用,后民用之路。先造原子弹氢弹,再造核船舰核电站。此外,核能还广泛用于医疗(如核诊断、核治疗、核药物、核手术、核电池等)、工业(如辐照改性、木料加工、无损探伤、线上测量、食品保鲜)、农业(如辐射育种、辐照杀虫)、考古(如年龄测量)和刑事侦察等各方面。核能利用有两大难点,一是核反应堆发生重大事故可能导致堆芯烧毁辐射外泄,二是核废料的处理与存放。这两方面的问题都严重影响环境和公众安全。

核能人才的“冷冻”

“头装原子弹,心系中子线。立足反应堆,放眼核电站。”1982年7月笔者在清华大学毕业时,在教室黑板上写下了这首打油诗。这首诗表面上充满了自豪、信心和期望,实际隐含了我们这一代核工程学生当时的辛酸和无奈心情。1955年,中国政府宣布开展原子弹和氢弹的预研。1957年7月,苏联为了掌控中国,对中国研制核弹从反对变为支持。赫鲁晓夫同意向中国提供原子弹和导弹样品,并帮助中国建立核研究所和核工厂。清华大学工程物理系(即核工程系)得以建立。1960年因中苏交恶,苏联中断了援助并撤走专家。不过中国已经得到了一些核武器的制造设备和许多技术援助。1964年10月16日,中国第一颗原子弹爆炸;1967年6月17日,中国第一颗氢弹爆炸;1971年8月,中国第一艘核潜艇试航。 中国的研究堆、生产堆、动力堆、铀浓缩和分离技术等各方面都取得了巨大成绩。

但中国毕竟是在广大人民缺吃少穿、综合国力极差的情况下,倾全国之力集中于一点才搞出两弹一艇的。文革导致中国经济崩溃。七十年代末期,安徽农民冒死分田单干,广东人民冒死逃亡香港。在这种情况下,中国不得不进行改革开放。当时中国经济基础非常薄弱,为了发展经济,大力削减军费。1982年我们毕业之际,同学们抱着赤子之心,都想为国效力。但得到的大量内部消息都是,军用派不上用场,民用还没有基础。我们可能要在“冷冻人才库”虚度若干年。因此,许多同学有一种“英雄无用武之地”和“生不逢时”的悲凉感。毕业分配后,许多同学确实没有什么事情干,好在当时都有“铁饭碗”。我被分配到核工业部第一研究设计院(现称中国西南反应堆研究设计院)的设计部。有人戏称我们研究院为“八九二三部队”,当时许多研究所、室没事干,管理松散,上午八点上班,九点下班,下午两点上班,三点下班。谁能想到这就是六七十年代快速搞出两弹一艇的元勋们在八十年代的写照。

当时的社会现实对研究人员的思想冲击很大。八十年代中国刚刚开始从计划经济走向市场经济。“不三不四”发大财,有权有势者利用价格双轨制搞“官倒”一夜暴富。社会分配不公,体脑倒挂,“搞原子弹的,不如卖茶叶蛋的”。

经济腾飞促进核能发展

经过“文革”折腾以后,中国人才青黄不接。一旦有任务,我们就有机会排上用场。我到峨眉山附近的研究院报到一周后,就被派回北京,参加中国核工业部同美国核管会关于反应堆设计和安全分析的合作项目。中美1972年建交后,美国赠送了5台大型电脑给中国。我用美国软件和电脑完成了中国多个军用和民运反应堆的大量分析计算,还在上海和成都等地参加过反应堆的设计和安全分析工作。核工业部和教育部原本计划派遣我1985年到德国进修,后因一项紧急任务需要我完成,故于1987年才到慕尼黑理工大学学习。
我到德国留学前后,许多同学到美国留学。但海内外的同学,许多都改行了,不过,大都干得不错。这应验了文革中屡遭批判的那句话:“学好数理化,走遍天下都不怕。” 上个世纪中国经济基础薄弱,民用核能发展较慢。随着经济快速发展,进入21世纪后,中国核能发展的步伐不断加快。国内留在本行的同学说,以前年轻力壮的时候没事干,被“冷冻”,如今老了,军用民用都要搞,忙得一塌煳涂。如果不是1986年苏联“切尔诺贝利核电站事故”和2011年日本“福岛核电站事故”的负面影响,中国核能的发展还要快得多。

1985年3月20日中国第一座自主设计和建造的核电厂——秦山核电站在浙江海盐开工,1991年12月15日首次并网发电。这虽然只是一个30万千瓦的小型核电站,但毕竟标志中国成为世界上第七个具备自主设计、自主建造、自主调试和自主运营管理核电厂的国家。1987年中国第二座核电站大亚湾核电站开工建设,1994年开始运营。这是中国第一个盈利的核电商业项目。1995年12月中国实验快堆立项,2010年7月首次实现核临界,从而成为世界上第8个拥有快堆技术的国家。2006年中国建成了世界上第一个EAST核聚变实验装置,又称人造太阳。2011年1月,中科院发布用钍燃料作为核裂变材料的科研方案。2007年通过了《国家核电中长期发展规划(2005-2020年)》,决定大力发展核电。预计到2020年,装机容量将超过70吉瓦,核电比例达到4-5%。截至2010年底,中国运营的商业核电机组有13台,装机容量为1080万千瓦。另外,国家已批准核电机组32台,装机容量3486万千瓦。2011年3月,日本福岛第一核电站事故爆发,中国国务院宣布停止审批核电站项目,并要求对全国核设施进行综合安全检查。2012年,中国恢复了核电站的建设,将2020年的目标压缩到40吉瓦,长期规划由86吉瓦调整为70至75吉瓦。2013年中国重新提出了在高安全标准下全面启动2020年核能发展战略,建设先进压水堆、球床高温堆等第三、四代反应堆,并研究开发快中子堆和聚变堆。

尽管每年都在新建核电站,但核电在全球一次能源消费中的比例增加很缓慢。2015年6月中国运营的反应堆有26座,居世界第五位,但是中国在建和拟建的反应堆数比任何国家都多。

中国核能有巨大发展空间

2015年底,中国电力装机容量为14.4亿千瓦,其中火电9.57亿千瓦,占66.5%,水电3.14亿千瓦,占21.8%,风电1.1亿千瓦,占7.6%,太阳能发电0.32亿千瓦,占2,2%,而核电只有0,2561亿千瓦,仅占1.8%。中国日最大错避峰电力达到540万千瓦,从整体来看中国还是缺电的。从发电结构来看,中国主要依赖火力发电。火力发电对环境污染很大。中国雾霾严重,要想重获蓝天,必须减少火电,发展其它清洁能源,核电是替代能源之一。

2012年底,中国核电发电1257万千瓦,到2015年已经翻了一倍。但国际比较,中国的核电比例是很低的。目前全世界核电站的发电量占总发电量的11%。如果以2012年的数据来看,中国的核电比例只有世界核电平均比重的十分之一。法国的核电比重最高,达到78%;全球最大的核电国家是美国,共有104座各种核电站,其核电占总发电量的20%左右;截至2013年底,全世界共有30个国家和地区拥有核电,核电占总发电量50%以上的国家有法国、比利时、斯洛伐克。比例在30%到50%之间的有乌克兰、匈牙利、斯洛文尼亚、瑞士、瑞典、韩国等。由此可见,中国核电还属于起步阶段,发展空间还很大。此外,中国有面积巨大的荒无人烟的沙漠地带,有利于储存核废料。中国的铀矿也相当丰富。

核能是经济、安全和丰富的能源

核电站若出现了放射性外泄,都是大事故。但核电站发生大事故的概率是很小的。要说风险和污染,各种电站都有。煤电的污染最大,开采煤炭的伤亡风险很大(每年全球至少数千人死于矿难,2005年中国每百万吨煤死亡率是2.912);水电影响生态环境,大水库可能引发地震,大坝奔溃导致巨大洪灾(中国的七五八洪灾导致30多万人死亡,超过七六年唐山大地震死亡人数,也超过日本广岛长崎原子弹爆炸死亡人数,若长江三峡大坝突然奔溃,所造成的灾难将超过数十枚核弹的影响);风电会伤害鸟类、影响风景区美观;太阳能设备生产基地的污染是非常厉害的。一位经销太阳能设备的商界朋友告诉我,中国许多太阳能设备生产基地已经根本不适合人类生存了。

核能发电是相当安全、环保、经济的。核电站的燃料费比火电站要低得多。一个100万千瓦压水堆核电站,每年需要补充30-40吨燃料,其中只消耗1.5吨铀-235,其馀的尚可收回。核电站的燃料运输是微不足道的。而一座100万千瓦的煤电站,每年至少消耗212-350万吨煤,平均每天要有艘万吨轮,或三列40节车厢的火车运煤到发电厂。

目前核电站的主要堆型压水堆、沸水堆和重水堆,以及将可能快速发展的高温气冷堆,都是利用铀235裂变放出能量的热中子堆,铀的利用率很低(每一千个铀原子当中只有七个是铀235,其余主要是铀238)。快中子堆以钚239为燃料,钚239裂变将铀238变成钚239,使铀的利用率提高到60%~70%,使核燃料快速增殖,所以这种反应堆又称快速增值堆。采用快堆可实现放射性废物最小化,还能将可利用铀资源扩大成千上万倍,有利于解决世界能源的可持续发展和绿色发展问题。所以,快堆是第四代核能系统的发展方向。
2011年1月中科院就发布了用钍燃料作为核裂变材料的科研方桉。据英国《每日邮报》报道,英国在曼彻斯特南部的柴郡平原,建立了研究钍能源的装置。根据迄今为止的研究,钍可以取代铀作为核燃料,但不能用于核弹制造,钍电站产生的辐射物质也比铀电站少得多。一顿钍可以提供相当于200顿铀,或者350万顿煤所提供的能源,世界上已知的钍元素储量可以至少提供1万年的能源支持。相比铀而言,钍易于进行浓缩与提纯,不会产生二氧化碳,是一种清洁能源。用钍元素建造而成的发电站不用担心堆芯熔毁。钍堆的应用会大大提升核电站的安全性。

人类的终极能源还需要核聚变。一旦可控核聚变实现商业化,可控核聚变是解决人类能源的最终手段。一升海水中的氘元素蕴含的能量相当于300升汽油。一个百万千瓦的核聚变电厂,每年只需要600公斤原料,根据地球上海洋中氘资源估计,核聚变能可供人类使用数亿至数十亿年。

德国总理默克尔原本支持核能发展,但2011年3月11日福岛核电厂事故后,默克尔来了一个180度大转弯,主张尽快放弃核能。德国联邦议院2011年6月30日通过法案全面退出核电、扩建再生能源。德国成为第一个立法退出核电的工业大国。需要说明的是,德国宣布放弃的是核裂变能源,对于有“终极能源”之称的核聚变能源,德国很有兴趣,并投入巨款研究开发。2016年2月3日,德国总理默克尔亲自开启了迄今为止全球最大彷星器(Stellarator)核聚变反应设备“螺旋石7-X(Wendelstein 7-X)”。该装置投入运行标志着人类在实现可控核聚变方面迈出了重要的一步。

中国的核电发展不能操之过急

中国可以在沿海先建一些核电站。在内地建核电站要慎之又慎。虽然欧美很多核电站是建在内陆的。但中国核电有一点“生不逢时”。中国核电建设不仅要考虑经济、技术和环境的要求,进行经济风险、技术风险和环境风险评估,还必须要考虑民众的态度,进行社会稳定风险评估。中国的媒体受执政党全面控制,不敢“枉议中央”,但敢乱议核电。许多人不懂装懂,像一些西方政客一样,无限夸大核电站的危险性,让许多民众不能理性地看待核电站。在内地建核电站可能遭到民众反对、引发群体事件,影响社会安定。目前因腐败导致社会不公,官民矛盾激化、社会分裂对抗,如果因为建核电站激起社会动荡,就得不偿失了。

一个100万千瓦核电站的运行过程中,每小时约需要从外部水源抽入(或向外排出)170000立方米的水。在此过程中,大约1000立方米的水会蒸发(蒸发比为0,6%),其它的水会以较高的温度回到外部水源中。所以,核反应堆总是建在靠近大海、湖泊或者河流的水资源丰富地区。若做通了民众的工作,在内地可建少数安全性高的第三代核电站。内地大量建设核电站,应当等到高温气冷堆和快堆技术成熟以后。在此之前,内地还是学习德国,大力发展风电和太阳能发电等清洁能源为好。

清华大学核研院10兆瓦模块式高温气冷堆的实验显示,在任何事故情况下,包括丧失所有冷却的情况下,不采取任何人为的和机器的干预,反应堆能保持安全状态。也就是说,这种反应堆自身具备固有安全性。石岛湾核电站是该技术的一个商用示范项目。若石岛湾核电站顺利建成运行,中国的高温气冷堆技术应能快速商业化。这对中国和世界的核能发展都有很大促进作用。这也可能像高铁一样,带动中国的核电技术出口和一系列行业的升级发展。

我认为,目前在内地建核电站,不能直接建在大江大湖边上,而应建在中小型水库附近,可以从大江大湖修建水渠至中小型水库,以保证用水需求。还需建立万一发生重大事故情况下的排污洼地,决不能让放射性污水进入大江大湖。

根据福岛核电站事故的教训,反应堆的应急冷却系统需要大力改进。要考虑到在地震、空难和恐袭等特殊情况下,多套独立的应急冷却系统能有效运作,尽可能避免堆芯熔化。若发生堆芯熔化,应千方百计保住安全壳。我在慕尼黑理工大学和德国核反应堆安全协会模拟分析过,在反应堆发生大破口失水事故的情况下,安全壳内液态二氧化碳的喷淋效应。喷淋时大多数液态二氧化碳会快速蒸发,少部分变为干冰(固态二氧化碳)后再升华。这个过程都能快速降温降压,防止发生氢气爆炸和安全壳破裂。中国可以继续进行这方面的研究或类似研究。

一定要处理好核废料

核废料按物理状态,可分为固体、液体和气体3种;按比活度又可分为高水平(高放)、中水平(中放)和低水平(低放)3种。中低水平核废料主要来自核电站在发电过程中产生的具有放射性的废液、废物,占到了所有核废料的99%;高放核废料具有高度放射性,俗称为高放废料。高放废料含有多种对人体危害极大的高放射性元素,其半衰期长达数万年到10万年不等,如果处置不当将会给当地环境带来毁灭性影响。

核废料的处理,国际上通常采用海洋和陆地两种方法处理核废料。一般是先经过冷却、干式储存,然后再将装有核废料的金属罐投入选定海域4000米以下的海底;或深埋于建在地下厚厚岩石层里的核废料处理库中。美国、俄罗斯、加拿大、澳大利亚和中国等国家因幅员辽阔,沙漠荒原多,都采用陆地深埋法。高放射性核废料处置库是一项耗资巨大的工程。美国的尤卡山核废料处置库工程预算达437亿美元。中国计划在2030—2040年完成处置库的建设。

据最近(2016年2月)英国科学杂志报道,英国钻石光源中心(Diamond Light Source)的设施将电子加速到接近光速,让其发出比太阳光高出100亿倍的亮度。这些光束可用于研究不同类型材料的性质。英国科学家们籍此发明出一种革命性的水泥材料,它可以承受几千年的强烈核辐射。这种水泥可以捕获核废料释放的所有放射性元素并保持自身强度。它可以用于盛放核废料并埋藏在地底下,保证核废料10万年安全。如果科学验证属实,该水泥材料的发明有助于核能发展走出困境。中国应当引进这种技术或研制开发类似技术。
2016年4月10日 写于 纽伦堡

(全文大约 5600 字)

2016年4月11日 首发于《共识网》  链接  http://www.21ccom.net/html/2016/gqmq_0411/3185.html#comment


                                                           纪念第一次原子弹实验建在美国新墨西哥州的石碑


                                                       建立全球第一座核反应堆的元勋 恩里科·费米和雷奥·西拉尔



                                                            全球第一座核电站-苏联奥布宁斯克核电站 1954年



                                                               中国第一个核电站-秦山核电站三期工程




                                                                1986年苏联切尔诺贝利核电站事故后



                                                                 2011日本福岛核电站事故后

吃惊

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握手

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