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福音还是灾难?——为什么要发展核电

(转载)

福音还是灾难?——为什么要发展核电

最近神剧《切尔诺贝利》引爆朋友圈,关于核电的讨论再次风生水起。知乎上各种问题层出不穷,很集中的一些问题包括了既然切尔诺贝利的时间这么恐怖,中国为什么还要建造核电站?中国的核电站会不会泄露?如果核电站泄露了,中国该怎么办?关于核电站的恐惧重新开始在人们心头蔓延,一些网络所谓的公知又开始蠢蠢欲动,对中国核电的发展肆意批评。其实这一切都来源于普通人对这个字的恐惧。谈核色变不光是中国特有的现象,在国外也是如此,以至于核磁共振成像技术(Magnetic Resonance Imaging)在国外都生生的把核字去掉了,其实全称应该叫Nuclear Magnetic Resonance Imaging。就是担心病人看到nuclear这个词因为MRI是有放射性的。

恐惧都是来源于未知,所以消除恐惧的唯一方法就是对核电进行系统客观的分析,充分了解他的优势和弊端,分析中国和世界核电发展形势乃至各自的具体情况。这样我们才可以理性的去判断核电到底是人类的福音?还是人类的灾难?

这是一个极大的话题,也涉及到了很多的层面。笔者一个小小的科普爱好者只能从个人的理解和查阅的资料出发,对这个问题阐述一些浅显的东西。深入谈不上,希望足够浅出,能让所有人都看懂,能够消除一些基础的顾虑,就足够了。本文会从三个方面来讨论这个庞大的话题,第一是核电站的组成和分类、第二是核电在世界和中国的发展、第三是为什么我们要发展核电。最后一部分是结论,如果觉得文章太长,可以直接跳到结论部分,并不影响获得这个问题的答案。

1.    核电站的组成和分类

每当说起核电站,不论是新闻报道、知乎提问、科普文章乃至小道消息,都充斥着大量的“xx这样的名词。时而似乎二代堆或者三代堆这样的数字(不是二代目和三代目啊),时而是压水堆或者沸水堆这样的水货,一般的人都会看的晕乎乎。实际上核电的分类大致有两条路线,第一条路线是根据年代分的,第二条路线是根据堆型来分的。堆型是指核电站中反应堆的设计类型,这个设计类型是指原理上的不同而非技术性的调整。其实可以很容易看出,第一类方式是人为的分类,第二类方式才是从技术客观的角度分的。为了能够看得更清楚,笔者自己画了下面这张图帮助大家来理清楚其中的关系。

从时间上的划分,现在可以划分为一代堆到四代堆。一代堆并没有明确的定义,根据笔者看得资料,大概是指从1942年世界上第一座反应堆到大约1960年左右的这个阶段中,处于实验阶段的反应堆。笔者给定义了一个叫做实验堆的分类,但是这个叫法是笔者定义的。由于上个世界40年代开始,核反应 堆就是高度的机密,所以基本来说每个国家的反应堆都是自己一套体系,很难有共同之处。但是一代堆和实验堆的共同之处就是处于试验阶段,数据在当时高度保密,现在信息极少。即使有并网发电的(比如苏联第一个核电站奥布宁斯克),也并没有持续很长时间。

随着时间进入上个世纪六七十年代,核电站的技术逐渐开始定型,这个就是所谓的二代堆。二代堆中主要有三大类堆型,分别是轻水堆、重水堆和气冷堆。堆型的区分是来自于反应堆的设计方案的。在反应堆当中,裂变材料(主要是铀和钚)会裂变放出中子,但是这些中子分布在不同的能级上(可以简单理解为具有不同的速度)。而释放出来的中子能够引发其它裂变材料继续产生裂变被称之为链式反应,也就是我们所追求的持续的核反应。这个链式反应是需要中子的速度比较慢的,称之为热中子。但是释放出的中子当中,很大量的是速度非常快的,所以我们需要一种东西叫做慢化剂来让中子慢下来,保持链式反应。在《切尔诺贝利》这一局当中,大量提到了石墨块,这个就是该反应堆中用到的慢化剂。除了石墨意外,高纯度的轻水(就是普通的H2O)和重水(D2O)都被认为是理想的慢化剂。在慢化剂之外,对于堆型的区分还有一个基础的参数就是冷却剂。核裂变反应会持续释放出大量的热,我们需要冷却剂将这一部分热带走,然后用于发电。冷却剂主要使用高纯度的轻水(就是普通的H2O)和重水(D2O)以及高纯度的惰性气体(二代堆中一般用的是CO2)。对比一下我们就可以看出来,轻水和重水既可以作为慢化剂,又可以作为冷却剂,棒极了!而轻水就是普通的水,我们很容易得到(当然这里的水指高纯度的去离子水,不能用自来水啊),这简直太完美了!因此二代堆中最大比例的堆型就是轻水堆,占据目前反应堆中的95%以上。但是轻水的慢化效果不够好,所以需要有一定浓度的核燃料(U235的丰都大约在4~5%),而不能使用天然铀矿石(U235丰都为0.7%)。但是如果使用重水就可以直接使用天然铀矿石作为燃料,这样大大减少了原料的制备成本,这样就有了重水堆。但是不管是轻水还是重水,都是很容易汽化的,即使在一定的压强下,他们的沸点都是相对比较低的。所以轻水和重水作为冷却剂所能承载的热量相对比较少,堆芯出口温度较低。但是使用气体作为冷却剂就不存在这个问题,可以得到高得多的出口温度,但是CO2不能作为慢化剂,所以一般来说气冷堆都是使用石墨作为慢化剂,通常也称为石墨气冷堆。这就是二代堆的主要三种堆型了。

 中国核电的官方报道中经常能听到一个词三代堆,是我国核电先进的标志。那么什么是三代堆呢?其实三代堆在堆型上跟二代堆一模一样,也是轻水堆、重水堆以及气冷堆。在切尔诺贝利事件之后,美国和欧洲分别出台了先进轻水堆用户要求文件,即URD文件(utility requirements document)和欧洲用户对轻水堆核电站的要求,即EUR文件(European utility requirements document),进一步明确了预防与缓解严重事故、提高安全可靠性和改善人因工程等方面的要求。国际上通常把满足URD文件或EUR文件的核电机组称为第三代核电机组。所以实际上三代堆只是更加安全的二代堆而已,从技术角度并没有革命性的变化。

  四代堆也叫先进堆,是真正的从堆型上进行改变的一代全新的反应堆。目前四代堆基本都停留在设计图纸、原理性样机乃至实验堆层面,最快的进展也就是进入了商业示范堆的建设,离实际应用尚有一段距离。(特地注明,此处指的是民用,军事应用中不算。)四代堆目前主要有六种被认为最有潜力的堆型,分别是高温气冷堆(用He气作为冷却剂)、超临界压水堆、熔盐堆(之前中科院在甘肃请道士开光奠基仪式的就是这个)、气冷快堆、铅冷快堆和钠冷快堆。可以看出其中有三类反应堆都叫快堆,即快中子堆,不需要慢化剂的。这其中钠冷快堆是技术相对比较成熟的,北京房山的北京实验快堆以及在福建霞浦开工的示范快堆都是这种类型。四代堆大多有各种优点,比如超高的出口温度、零堆芯熔毁风险乃至快中子增殖等,但是由于技术发展的限制,目前还有很多难关需要攻克。

2.    世界和中国的核电发展

在介绍了核电站的基本类型之后,笔者来介绍一下核电在世界和中国的发展,尤其看看我国是不是在举国发展核电。根据IAEA(国际原子能组织)2017年的年度报告显示,截止2017年底,世界总共有448座核动力堆在运行,而在建反应堆总数达到59座,下面这个饼状图就是这448座反应堆的分布,在这个统计中我国归在了其它当中。这其中,中国正在运行的核动力堆有45座,占比10.04%;而中国在建的反应堆有11座,占比18.64%。从这个角度我国确实是在着重建设核电站。

反应堆数量是一个指标,更重要的指标是核电在全国总发电量中的占比。法国一直是世界上著名的核电大国,2017年底的时候,法国核电发电量占比为71.6%,韩国为31.7%,美国和俄罗斯都接近20%,而中国尚不到4%。中国核电之所以这些年在高速建设,很大一部分原因是因为我国过去核电非常欠缺。而核电又是一个高投入的行业,在经济不够发达的时候,无法有效的发展。这些年经济发展了,我们才开始建设有能力建设属于自己的核电站。至于要不要发展核电,将在下一个小节中进行讨论。

 网上一直有一种传言,福岛核电站事故之后,欧美大部分国家都对核电采取了放弃的态度,只有中国在大规模建设。甚至有所谓的公知批评中国地方乃至中央政府为了政绩不顾人民死活,不顾子孙后代的安危。说的言辞慷慨,似乎建造核电站的中国政府就是十恶不赦应该推翻的。但是事实真是这样吗?福岛事件前后世界其它国家政府对核电的看法真的发生了质的改变吗?

下面这张图展示了世界各个国家和地区的政府在截止到2017年的时候对核电的态度。被涂成黑色的国家是国家立法禁止建立核电站的,这里包括丹麦、意大利和匈牙利。值得提出得,这几个国家都是在上个世纪就立法了,与福岛事件无关(其中意大利的立法推进与切尔诺贝利事件有一定相关性)。

被涂成红色的国家和地区是政府宣布加速弃核的,也就是会在核电站寿命到期之前关闭核电站运行的。世界上目前为止明确表示加速弃核的国家和地区是德国和中国台湾地区,分别宣布在2022年和2025年建立无核国家。2016年核电发电占德国14.1%,而德国采取了非常系统的关停核电的计划,包括人员分流,关停和退役计划,开发可再生能源,延长硬煤电站寿命,加大从邻国电力购买等。即使如此,德国也是近五年来欧盟碳减排倒数的国家,饱受争议。德国由于背靠欧洲电网,即使短暂的电力短缺也可以通过从电网购买来解决。而中国的台湾地区在蔡英文就任地区领导人后,为了争取民间选票,提出了无核家园的口号。但是由于台湾能源短缺,完全依赖进口,可再生能源分布和发展都较差。当政府强行关闭核2和核3并叫停核4电站之后,整个台湾的电量储备一直在4%的红线以下,即稍有波动便会造成很大的后果。2017815日的台湾大停电就是最真实的写照,只是因为某个电厂操作失误,使几台机组脱离电网,就导致台湾地区计668万户断电,并造成3起火警,1人死亡的惨剧。同时给民众生活造成一片混乱,消防单位接获730件受困电梯求救个案,停电状况最严重的新北市,有1000多处路口交通信号灯失灵,并且正值下班高峰时段,导致交通混乱。根据台经济部门估计,辖下工业区的厂商损失金额近8800万元新台币,全台湾产业损失惨重。由此可见,贸然决定关停核电而没有明确的替代方式是非常草率和鲁莽的。

地图中被涂成黄色的国家是政府宣布按时间点弃核,即不提前对正在服役的核电站进行关停,也不批准延长服役。这些国家有西班牙、比利时、瑞士和可能存在的韩国。其中西班牙的核电退役时间为2021年,在2016年的时候,核电占比为20.3%。西班牙有着充足的阳光,英国人冬天都去西班牙度假晒太阳的,因此西班牙正在大力发展光伏发电并取得了相当杰出的成绩。加之西班牙也背靠法国这个核电大国,可以有效购买低碳电力,所以西班牙的弃核前景是非常美好的。瑞士预计在2034年完成弃核,虽然核电占比在2016年高达33.5%,但是瑞士国家体量小,用电量小。虽然瑞士光伏和风电发展极其缓慢,但是到2034年的时间还很长,瑞士政府有充足的时间来调整政策。同时,到2030前后,英、丹、德和挪威在北海的庞大海上风电机组阵列应该可以投入使用,届时欧洲的电力会有很大程度通过这里获得,瑞士也不例外。比利时的弃核时间表设置在了2025年,但是55.2%的高额核电占比,以及可再生能源短缺导致的替代方案无法顺利出炉,比利时的弃核路程步步维艰。文在寅总统上台后曾经宣布拟建设无核家园,但是并没有给出实际的弃核时间表和路线图。

从上面可以看出,世界上目前政府确定弃核的国家和地区只有6个,其中只有德国和西班牙在弃核路上走的相对顺畅的,瑞士和韩国属于观望状态,而比利时和中国台湾地区则是走的极其艰辛。其实这个就是表明当没有合理的路线图和替代方案的时候,仅从政治角度出发选择弃核是非常不明智的。

抛开以上六个国家和地区,地图上被涂色的国家和地区还有很多很多。涂成深蓝色的国家是已经拥有并正在建设新的核电站的国家,其中包括了联合国的五个常任理事国(三哩岛之后美国曾长期停滞了核电的发展,但在在奥巴马执政期间重启了核电的建设和批准,三哩岛后美国第一个核电站与2016年并网),金砖四国中除了南非的其余三国,被切尔诺贝利摧残了的乌克兰、巴基斯坦、荷兰、斯洛伐克、阿根廷。可以看出这些国家其实占据了世界绝大多数人口、土地以及GDP。持有并发展核电依然是世界的主流。地图上涂成浅蓝色的国家是已经拥有核电但是并没有在建核电站的国家,包括了加拿大、伊朗、墨西哥、南非和欧洲的瑞典、捷克、罗马尼亚、保加利亚、匈牙利。这些国家大部分是因为电力已经能够自给自足,经济发展或者缓慢或者经济发展速度和可再生能源发展速度匹配,因此不急需要建设新的核电站。

着重提出,地图上被涂成深绿色的是正在建设国内首个核电站的国家,其中包括一样被切尔诺贝利影响的白俄罗斯、一直希望成为中东霸主的土耳其、经过数次政变持续停电的埃及以及石油多到用不完的阿联酋。尤其是阿联酋,作为一个纯粹的石油输出国,本可以使用燃油电站获得廉价的电力。但是阿联酋不仅积极开发光伏和光热发电,还投资建设了自己的第一个核电站。这表明,至少在阿联酋政府看来,核电是一种可以替代火电的选择之一。

浅绿色的众多国家都是在筹自己国家第一个核电站的,就不一一举例了。反过来要说一下没有被涂上颜色的这些国家,为什么于核电无动于衷。仔细观察地图就可以发现,对核电毫无兴趣的国家包括了还在解决温饱问题的非洲中部国家,战火连天的中东几国、中亚的几个斯坦、东南亚的菲律宾、老挝和缅甸、前南斯拉夫的解体国家、政府已经濒临破产的希腊以及加勒比地区的小国。上述这些国家根本没有能力去建设核电,或者国际不允许他们建设(比如叙利亚和伊拉克)。在有能力建设的国家中,挪威这个95%都用水电的国家和冰岛这个100%电力都是可再生能源的国家显然对核电没有兴趣。而澳大利亚由于地广人稀,完全没必要建造核电站这种更加适用于人口密集能量密度需求高的发电设施。因此澳大利亚尤其是西澳大利亚始终在推广分布式光伏+储能,而非是核电。

从上面大段的分析可以看出,在福岛核电站事件之后,世界上发展核电依然是主流。而非那些所谓的公知讲的,只是中国政府罔顾民意的一意孤行。这些公知或是道听途说或是别有用心,扭曲了事实。核电作为一种被验证了几十年的发电方式,过去,现在未来都会是国际上电力的重要组成部分之一。而具体如何发展核电,需要根据本国的实际情况来进行具体分析。

  下面笔者介绍一下中国的核电发展情况,目前中国有16个核电站正在运行(红色),9个核电站正在建设(包括扩建)(绿色),还有28个核电站报批或者拟定建设(统计不完全)(蓝色)。可以看出正在运行和在建的核电站全部都处于沿海省份而且集中于东南沿海省份。这个是因为我国东南沿海经济发达,电力需求量大。而且东南沿海地区本身化石能源短缺,完全依赖外部省份输入。因此核电这种能量密度高,对原料消耗少的电力方式成为了东南沿海地区电力结构中的有益补充。

  国内网络上争执不休的大部分集中于蓝色的拟定建设核电站,笔者能够查到的数据显示,28个报批和拟定建设的核电站中,22个是所谓的“内陆核电站”,在表中用下划线标识。必须说明,“内陆核电站”是中国网友的独创,并不是国际通用的科学称呼。法国、美国、俄罗斯等核电大国,一半以上的核电站都不靠海。国际上也从来没有过关于靠海和电站和内陆核电站在安全性上的讨论和分歧,这是完全中国一些反核人士为了反核和找的理由。具体某些省份是否应该发展核电,应该根据该省份的经济发展、经济结构、电力需求、电力结构、能源储量等多方面因素来衡量,而不应该根据人为区分内陆核电和沿海核电来简单定性。

  额外提一句,中国的核电不仅在国内使用,而且出口海外,成为高铁之外另一种中国精密制造的名片。罗马尼亚的切尔纳沃德3号和4号机组在2015年和中核签署合作协议书,中方占比51%是我国首次在国外控股核电项目。阿根廷阿图查3号机组由中加合作,而4号机组采用中国自主知识产权的华龙一号机组。中国在巴基斯塔总共援建了7个核电机组,分别是恰西玛核电站的1~5号以及卡拉奇核电站的2号和3号,这其中就包括了华龙一号的国外首堆。网上的一些人可能还会狡辩说上面的这些项目都可以说有政治因素,但是中国和法国联手拿下了英国欣克利角C项目这个是对中国核电最好的认证。该项目于2016年获批,2017年通过了审查第一阶段。英国的核电审查被称之为世界最严格的审查,中国的核电技术能够通过这个审查应该是对网上任何对中国核电技术的质疑最大的回应。而且这个认证不是偶然的,英国的布拉德韦尔B项目更是彻底采用我国的华龙一号设计方案。所以,我国的核电技术是有保证的,也是被世界认可的。这里不是说中国的核电就是完美无缺的,只是想表达我们是走在世界前列中的一员。

3.    中国为什么要发展核电

从上面的介绍我们可以看出,即使是在福岛事件之后,发展核电依然是国际上主流。对于中国而言,我们国家对待核电的态度始终没有变化,大力研发核电技术,但是谨慎设置核电站。虽然看似我国核电在大规模建设,我国核电性相对于中、美、俄和英国,占比都是不值得一提的。所以目前看上去的大规模建设只是在补偿过去的欠缺而已。但是为什么中国要发展核电呢?其实原因很简单,最重要的因素就是减排!

随着工业化的进程,人类不断向大气中排放CO2这种温室气体,导致地球平均气温不断的升高。下面这两张图是从有记录以来到2017年的地球大气CO2浓度和平均气温变化。这两张图可以看出,CO2浓度和平均温升都随着时间的推移显著增加。2019628日,世界气象组织在公告中表示,数据显示2015-2019年会成为地球上有记录以来最暖的五年。而在本周二, 欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts)也在报告中指出,无论对于欧洲还是全球,刚刚过去的6月都是1880年以来最热的一个6月。而全球温升1.5摄氏度和2摄氏度这两个临界点就在我们眼前了,一旦突破临界点,整个自然系统就会失控而无法自己恢复,最终会滑向哪里,我们谁也不知道。因此减少CO2排放成为了世界各国的重要任务之一。1991年各国政府之间就成立了联合国气候变化框架公约,并在这个公约下签署了京都议定书和巴黎协定。虽然某些大国不负责任的退出了这些协定,但是中国始终恪守自己的承诺,进行着节能减排的工作。

根据BP公司2018年发布的能源展望,在中国整个CO2排放当中,70%以上来自煤炭。而在中国煤炭有一半以上用于发电,因此我国降低CO2排放最重要的点就在于如何缩减煤炭火电。下图是我国发改委在2011年公布的中国能源结构的展望图。可以看出,在发改委的规划和展望中,可再生能源会逐步替代煤炭为首的火电,从而完成在21世纪下半页即2050年的碳净零排放的目标。从这个色彩斑斓的柱状图中我们可以看出,水电、风电和太阳能发电是主流,而非是核电。这也验证了笔者之前说的,中国从来没有计划大力开发核电乃至成为电力系统的主导部分,甚至可能只是次要组成部分

但是核电作为一种清洁能源有着自己独特的优势,比如能量密度高,无空气污染、无碳排放。更重要的是原料在核电发电成本中占比极小,这个对于目前以煤炭火电为主的中国东南沿海省份有着非常特殊的意义。因为我国东南沿海经济发达,对电量需求大。在寒冷的冬季或者炎热的夏季,对电力的需求更是迅猛增加,导致煤炭运输压力极大。一旦出现大雪封住铁路,就会导致东南出现煤慌而危及电力生产。如果适量补充入核电,就可以忽略这种由于天气和气候导致原料不稳带来的电力波动,从而保障民生。

比如山东刚刚并网发电的海阳核电站,一个核电站就可以满足山东1/3的民用电需求。这种保障力度是目前其他任何发电方式都无法取代的。因此在缺乏煤炭的省份建立核电站,是对民生用电的一种有效的保障方式,山东为此做了非常正面的例子。有正面就有反面例子,湖南桃花江核电站从上个世纪九十年代开始申报建设,但是由于种种原因始终无法开工。湖南夏季闷热冬季阴冷,随着经济的发展,人民对生活质量的需求日益提高。因此,湖南民间用电需求量节节攀升,尤其是遇到极端天气,湖南常常进入缺电状态。湖南地处太阳能欠利用区和风能三级开发区,属于可再生能源相对欠缺的地区,因此湖南目前为了保证电力供应能够跟得上经济和人民生活质量的发展,只能大力兴建煤炭火电站。而湖南并没有大型的煤矿,煤炭基本依赖外省输入,所以还要大力兴建重载铁路来输送煤炭。不仅煤炭火电会导致大量的CO2排放而且运输过程中依然会产生大量CO2排放。在全国强调节能减排的大前提下,大举上马煤炭火电实在是在谈核色变的民间气氛下的无奈之举。

 提到核电的减排,就不得不提网上一则传播甚广的谣言。谣言说核电其实并非是清洁能源,因为核电在退役的时候需要大量的处理工程,过程中产生的CO2排放非常大,甚至有谣言说这个产量会让核电实际上被火电产生的CO2排放量还大。根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)的数据显示,这个简直就是危言耸听的谣言。在整个生命周期中(整个生命周期包含生产、维护和退役),核电每度电产生的CO2排放仅仅是煤电的1.5%,甚至只是光伏发电的三分之一。诚然,核电在建设和退役的过程中有大量的施工和处理手段,这确实会导致额外的CO2排放。但是一个核电站服役后60年甚至99年的漫长寿命中,维护过程所产生的CO2排放则是非常低的。因此,从全生命周期的角度来看核电绝对是一种非常清洁的能源。

  当然核电也不是完美无瑕的,否则也不会陷入如此激烈的争论中。核电的弊端主要来源于两个方面,一方面是核废料,一方面是核泄漏。核废料包括高放、中放和低放三大类,大家一般所指的都是高放核废料,主要是乏燃料棒,但是还包括核电站退役时候产生的高放废物。核泄漏是大家更加关心的,也是切尔诺贝利这一剧引爆的热点。这个话题非常长,笔者会在另一片文章中进行详细描述。在这里只能说中国目前大规模开建的核电站大部分都属于第三代核电站,即更加安全的二代堆。从技术层面最大程度上降低了核泄漏的概率,但是人为的因素永远是存在的。所以,核电站始终存在着泄露的风险是任何一个客观看待核电的人不会否认的。

4      结论

从上面对核电的草草的介绍,笔者相信大家不难看出,核电是一个优点和缺点都很明显的发电方式。优点包括CO2排放极低以及原料在发电成本中占比低,而缺点则是大家随时会担心核泄漏。世界目前核电的主流依然是发展,但是发展的速率确实有所放缓。中国看似在加速大力建设核电,但其实中国政府对于核电的方针始终未变,稳步发展核电,根据不同省份的需求因地制宜的发展核电。在目前中国急需降低CO2排放的大背景下,在光伏以及风电尚且不够挑起中国发电大梁的前提下,核电作为某些省份的有益补充是合理的。

因此,核电不是福音也不是灾难!核电绝对不是中国电力最优的选择,但是是一种可接受的选择!

 

 

来源:中科院电工研究所供稿