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核能发展形势分析

关键词:核能发展形势分析 网址:www.fsybyq.com 日期:2019/5/6 10:36:48

随着世界人口的增长和经济发展,总体能源需求仍在不断增加,另一方面由于相关节能增效的技术、政策与文化不断推广应用,世界能源总体需求预期将以每年1.2%的速度平稳增加,如果维持现有政策,未来20-30年的年平均增速预计在1.5%。

核能在世界能源结构中占有一席之地,作为一种稳定的大型基荷低碳能源,对于降低温室气体,控制气候变化,保证能源供应具有重要的作用。核电对于世界能源供应和应对气候变化的贡献和重要性已经达成广泛共识。在美国,核电保证了接近六成的低碳能源供应。当前世界能源结构随能源需求增长而持续多样化。世界能源继续朝着低碳方向转型,能源结构呈多元化态势,可再生能源增长很快,不同形式的能源之间竞争日益激烈。

积极应对气候变化,是中国实现可持续发展的内在要求,也是深度参与全球治理、打造人类命运共同体,推动全人类共同发展的责任担当。党的十九大提出,要推进绿色发展,建立绿色低碳循环发展的经济体系,壮大清洁能源产业。推进能源生产和消费革命,构建清洁低碳、安全高效的能源体系。我国能源发展形势与世界总体形势是相符合的。其中,核能是推进绿色发展、建设美丽中国的重要能源选择。在福岛事故后核电发展形势在发生深刻变化。受其影响,全球核电发展明显放缓,目前仍处于低潮期,美国新建核电项目长期停滞不前,欧洲、日韩等提出逐步消减核电计划,原来核电占比领先的美洲和欧洲正在逐渐降低核电比例,亚洲、尤其是中国成为新建核电的引领者。原来的核电巨头陆续遭遇困境,有的甚至破产重组,核能工业界格局在重新洗牌。

而另一方面,以多功能小型化反应堆、四代反应堆、先进核燃料等为代表的先进核能研发工作不断深入并取得实质性进展,创新技术不断涌现。二代核电建设基本退出历史舞台,三代核电已成为主流,四代反应堆、小型堆等技术格局、预期市场空间、机遇挑战等都在发生复杂而深刻的变化。我国受世界环境影响,核能发展具有当前全球形势的普遍性。同时,由于我国核工业的具体情况,国内核能发展也具有自身的特殊性。因此,深入分析和理解国内外核能行业面临的变革与挑战,研究分析核能发展形势和未来方向,对建设世界一流的能源企业、打造核心竞争力具有积极意义。

全球核能发展形势分析

1.全球核电总体情况及发展形势分析

2017年,全球共有448座在运核电反应堆,总装机容量为392 GWe,较2016年增加约1.2 GWe,当年有4个新机组上网发电,同时有5个机组被关停。可以看出,总装机容量的增加是由于新机组的平均单机容量高于关停机组,而非机组数量的增加。2017年IEA的数据显示,全球核电发电量占总发电量11%,美国为19%,中国为3.9%。到2018年11月,全球在建核电站54个,总容量约58GWe,其中当年新开工建设4个机组,分别在土耳其、孟加拉、俄罗斯和韩国。随着田湾四号机组于2018年10月底并网,全球核电发电容量首次超过了400GWe。

当前世界能源结构随能源需求增长而持续多样化。世界能源继续朝着低碳方向转型,能源结构呈多元化态势,可再生能源增长很快,充足的能源供应加上能源效率的不断提升,能源之间竞争日益激烈。在总体能源发展背景下,对核电发展总体形势进行分析,可以得到一下几点认识。

(1)核电低碳能源的性质与贡献毋庸置疑

图1给出了各种发电技术寿命周期内的温室气体排放情况,其中图中的彩色条带分别表示排放的下限、平均值和上限。从中可以明显的看出,核电寿命周期内的温室气体排放和水电相当,相对其他的发电技术是非常低的。另外,从图中可以看出,在温室气体排放相对较低的几种发电技术中,光伏和风电还属于不可调度电能。

图2给出了从1970年以来全球发电所排放的CO2实际总量以及三种低碳能源所避免的CO2排放量。从图中可以看出,从上世纪70年代以来,电力生产所产生的CO2排放量随着电力供应的增加而上升,水电所避免的CO2排放作用明显。由于上世纪70和80年代大规模的核电建设和投产,导致从80年代后期,核能所避免的CO2排放量明显上升且由于新建机组大幅减少而一直维持在可观水平,再次说明了核电对于工业发展后期全球温室气体排放和目前的水平消减做出了很大的贡献。2017年在美国,56%的零碳排放的能源由其核能供应,在新泽西州,97%的清洁能源来源于核能。

图 2 全球发电所产生的CO2排放量以及低碳能源所避免的CO2排放量对比

(2)核电增长乏力,发展处于低潮

尽管各个国家情况不尽相同,但目前世界核电发展总体处于低潮期,发展速度明显放缓,普遍受到政治、经济、福岛事故后公众接受度、科技发展程度等等因素的限制。图 3为1970~2017年世界核电生产能力,可见总体核发电量不及历史最高水平,不同地域的变化趋势仍基本维持:1)亚洲、东欧及俄罗斯保持增长;2)西欧和中欧保持下降;3)美国的核能发电量基本维持,且处于下降边缘;4)南美洲和非洲的核能发电量有所下降。

图 3 1970-2017年核电产能

亚洲的容量增加的主导因素在两个人口大国:中国和印度。中东阿联酋表现积极,东欧的一些国家,如保加利亚等正在尝试发展核电,但由于这些地域人口少,发展规模十分有限。福岛事故后,受到政治、公众态度、经济等问题的影响,大部分地区的核电基本都处在下降通道。尤其是传统核电大国,美、法、德、日、韩都不同程度的减低核电容量比例。而本来要积极发展核电的南非也宣布取消原有核电发展计划。

(3)核电面临的主要问题

造成核电发展困局的原因是多方面的,除了政治、经济、地区科技及工业发展水平等主要因素影响外,对于核能发展所面临的主要问题和挑战在当前核电工业界和学术界已有较为统一的认识[[iv]],对主要观点进行总结,主要包括:1)核电站安全性、尤其是福岛事故后公众对于核电安全性的担忧增加;2)核电成本高、经济性不佳;3)来自经济性良好的天然气、竞争力不断增加的可再生能源以及新能源技术所产生的冲击;4)乏燃料与放射性废物的处置问题;5)在核电要实行更严格的安全监管、新堆型安全评审等方面,各国政府监管上也存在不确定性。

(4)不少二代机组面临退役,新建机组已全面采用三代核电技术

通过调研可以发现,不少二代核电机组面临退役,目前全球在建大型商用核电机组主要包括,AP1000、EPR、VVER系列中的三代机型和APR1400等,都属于三代核电技术。二代技术已经退出历史舞台。

2.核能技术发展形势分析

尽管核电面临重要问题和挑战,发展乏力,但由于核能的高科技属性,对国家战略具有重要支撑作用,因此相关核能技术的研发与创新,不论是在传统核能技术强国,还是新兴核能技术国家,都在紧锣密鼓的开展。通过调研情况可以看出,这些技术研发工作对解决当前核电所面临的主要问题也具有很好的针对性。

(1) 重视拓展核能的非电应用

图 4 不同反应堆温度及不同工艺热应用温度范围

尽管核电发展受限,在核能的非电力应用方面越来越受到重视,相关技术研发正在开展。如果在能量密集型生产领域引用核能技术将大大降低温室气体的排放。这些生产领域往往同时需要电力和工艺热,而核能技术可以很好的满足这些要求。目前主要的核电机组能够提供的热量温度大约在300摄氏度,随着核能技术开发,涌现的小型反应堆和先进四代堆技术能够供应更高温度的热量。核能非电领域的应用可以涵盖海水淡化,制氢,原油开采,石油化工,船舶运输,甚至是太空应用。各种反应堆能够提供热能的温度范围和相关工艺热应用温度范围如所示。可以看出,区域供暖和海水淡化这些与民生息息相关的领域所需温度低于现有核电机组,因此从理论上讲完全没有技术障碍。对于中等温度的应用,如原油加工、直降生产等,小型堆和四代堆都可以满足,对于更高温度的应用,如制氢、钢铁制造、水泥加工等,具有较高温度的四代堆,如高温气冷堆、熔盐堆等完全能够满足。

(2) 重视核能与多种形式能源的深度融合

自2015年巴黎气候变化协议之后,人们越来越关注可行的,具有经济竞争力的清洁能源综合解决方案。与传统化石燃料相比,核能和可再生能源相结合的混合能源系统可以显着减少温室气体(GHG)排放,这种整合还将促进海水淡化,氢气生产,区域供热,冷却和其他工业应用的热电联产。为了促进整合技术落地,还需进一步开展技术研发,采取适当的政策和市场激励措施。

低碳能源的两个主要选择是核能和可再生能源,许多国家在其国家能源结构中拥有这些能源,目前已有部分国家开始探索它们之间耦合协同方式。核可再生混合能源系统是由核反应堆,可再生能源发电和工业过程组成的综合设施,可同时满足电网灵活性,温室气体减排和投资资本的最佳利用需求。

核电目前基本是基荷运行,而风能和太阳能等可再生能源则是间歇性的。如果核电采用负荷跟踪模式,可以提高可再生能源的效率。刚刚在2018年10月,IAEA组织来自15个成员国的24位专家深入讨论了关于协调使用核能和可再生能源的创新概念和研究。目前,美国的Idaho国家实验室、MIT、EPRI都在进行相关研究,在Idaho国家实验室,还将搭建核能-可再生能源系统试验平台(Detail)。

(3)小型化反应堆技术开发应用成为新趋势

针对大型商用核电站成本高建设周期长等问题,小型化反应堆在各方面相对灵活,小型模块化反应堆除了具有传统反应堆单一的发电功能以外,还有其他工业用途,主要为热电联产、工业供热和海水淡化等。市场优势在于其固有的高安全性和高效率的热、电联产能力,同时具有经济性,能够满足不同用户的需要。除了可以为城市供电外,还可以热电联产、提供海上及海岛核动力、空间核动力等。很多国家都在致力开发小型化反应堆,成为核能发展及应用的一个新趋势。当前世界上很多国家都开发了具有各自特色的小型反应堆,其中以压水堆为主,大都借鉴了成熟的技术积累,最近开发的小型堆都具有三代以上的安全特性。

美国、中国、俄罗斯、法国、日本、韩国和阿根廷等国均提出了独立的小型轻水堆设计方案,绝大部分处于设计或评审阶段,俄罗斯部分堆型已进入建造或运行阶段。在北美,很多私人投资的小企业,主导了先进核能研发,Third Way的最新调研显示总共有56个公司在开发各式各样的先进反应堆。美国NUSCALE堆型获得NRC许可,得到一个由西部6个州的市政电力公司组成的联合企业的支持,在爱达荷州开始建设12个50MW的小型模块化反应堆,希望在2026年建成;阿根廷的CAREM-25原型堆正在建造;俄罗斯基于KLT-40S小堆的浮动核电站已于2017年完成建设,目前已经完成临界运行,预计2019年投入使用。

(4) 四代堆研发积极稳步推进

上世纪80年代各国提出了许多新概念的反应堆设计和核燃料循环方案。在美国能源部的倡议下,10个国家(美国、英国、瑞士、南非、日本、法国、加拿大,巴西、韩国和阿根廷)派专家组成了“第四代核能系统论坛”(Generation IV Nuclear Energy International Forum,简称GIF),中国也于2006年加入了GIF,目前GIF共有13个国家参与。GIF选定的六个候选堆型,分别是超临界水冷堆,超高温气冷堆,熔盐堆,钠冷快堆,铅冷快堆和气冷快堆。目标是要在2030年开发出新一代核能系统,使其在安全性、经济性、可持续发展性、防核扩散、防恐怖袭击等方面都具有显著的先进性和竞争能力。

目前,部分四代堆前期示范堆都取得了实质性进展,包括中国的钠冷快堆和高温气冷堆,都视为是四代堆的前期示范项目,为开发真正意义上的四代堆提供了很好的研发示范基础和经验。

(5) 关键共性支撑技术研究不断深入

在核能关键共性支撑技术领域,针对反应堆安全、严重事故预防和缓解、先进燃料与材料研发、核燃料循环及乏燃料处置等方面的研究不断深入,这些研究对于核能应用及安全监管进步具有重要的作用。

在反应堆安全方面,反应堆安全分析程序及相关实验验证广泛开展,目前美、德、法、韩以及中国等国都开发了自己的安全分析程序,如RELAP、COBRA、ATHLET、TRACE、MARS、COSINE等等,安全分析程序的开发、试验验证、应用及改进都取得了进展。另外,在对局部重要热工水力现象的研究方面,随着CFD技术进步,其应用日益增强,将发挥越来越重要的作用。

福岛事故之后,严重事故预防和缓解领域不断进行深入研究。包括对堆芯熔融物及熔池行为、氢气爆炸、熔融物与混凝土反应、蒸汽爆炸等的试验及模拟,相关非能动安全系统可靠性研究,严重事故缓解改进措施等。同时,核安全监管对于超设计基准事故和拓展事故工况在福岛事故后也有了越来越多的强制性要求。

对于先进事故容错燃料(ATF)的研发也取得了实质进展。美国DOE设立了ATF研发计划,并在2018年10月资助GE研发中心牵头,联合阿拉莫斯、橡树岭、爱德华国家实验室,开发ATF燃料,提高对事故条件下极高温度的抵抗力,保持燃料完整性。总部位于美国的全球核燃料公司(GNF)已制造ATF测试组件,装入南方核电运行公司的两台Hatch核电站进行先导测试。法国的Framatome公司已与美国公用事业公司Entergy公司签订合同,在2019年秋季向阿肯色州核一核工厂的1号机组使用镀铬涂层的先导燃料组件。

国内核能发展形势分析

1.当前主要情况

由于中国是能源消费大国,目前核电发电量占全国总发电量的4.16%。2015年统计结果表明全世界核能占总体能源消费4.4%,我国为1.3%,不仅距离核能发达国家,距离世界平均水平也存在很大差距。

到2018年11月,我国投入商业运行的核电机组共45台,装机容量达到 42,976MWe(额定装机容量)。到2018年11月,我国在建核电13台,总容量12,841MWe,位居世界第一。在建、在运机组总数和容量世界第三,仅次于美国和法国。按照中国核电中长期发展规划目标,到2020年,中国大陆运行核电装机容量将达到5800万千瓦,在建3000万千瓦左右。福岛事故后,国内核电建设暂缓,仅最高在2015年批复开工了8台核电机组的建设,之后一直在严格控制启动速度。

在我国电力工程单位造价方面,目前核电最高,超过1.6万元/千瓦,和海上风电相当,燃煤发电3.5千元/千瓦左右,水电工程单位造价平均约为1.1万元/千瓦;陆上风电为7.7千元/千瓦,集中式光伏约7千元/千瓦,分布式光伏约为6.6千元/千瓦。相对于其他能源造价,核电的造价还是处于高位。

核电技术总体上与世界先进水平保持同步。三代核电技术研发和应用走在世界前列,四代核电技术、模块化小型堆、海洋核动力平台、先进核燃料与循环技术取得突破,可控核聚变技术得到持续发展。

2.政策文件主要指导内容梳理

通过梳理《能源发展十三五规划》、《国家能源技术革命创新行动计划》、《能源技术创新“十三五”规划》以及国家能源局印发《2018年能源工作指导意见》中相关核电及核能技术发展的内容,可以初步总结一下几点。

1. 坚持安全高效发展核电,坚持核电中长期发展规划,堆型逐步向自主三代主力堆型集中,深入实施CAP1400和高温气冷堆核电重大科技专项。

2. 积极开发新一代反应堆,包括四代堆和小型堆,要推进相关示范工程建设。其中《国家能源技术革命创新行动计划》特别提出积极研究推动北方地区核能供暖试点工作。

3. 在先进燃料、自主化燃料开发、严重事故缓解等共性支撑技术等方面继续推动深入研究。

4. 发展乏燃料后处理自主技术,构建先进核燃料循环系统。

5. 探索研发可控核聚变技术。

3.发展形势及特点分析

国内核能发展形势既具有世界总体发展形势的普遍性,也具有自身特点。

(1)国内核电发展目前同样处于低潮,但长期来看仍有发展空间

尽管中国位于世界在建机组数量首位,但是相对于我国目前核电占比和世界平均水平差距而言,尤其在福岛事故后,我国核准速度已经大大放缓,远远未达到每年6-8台的预期目标。除了普遍性原因影响之外,还要考虑我国目前电力过剩的影响。

但是,对比世界各国人均用电量,我国人均年用电量不足4000千瓦时,约是日本的1/2、美国的1/3,中国人均生活用电量仍处于发展中阶段。国内目前人均用电量低说明当前电力产能过剩是相对过剩。未来我国要在 2020年全面建成小康社会,2035年基本实现现代化,到本世纪中叶全面建成现代化强国,人均用电量定会翻倍增加,同时中国在控制全球气候变化方面肩负重要责任,因此,从我国现代化建设和长期发展来看,核电仍会发展。

(2)在大型商用核电站方面已经掌握三代核电自主化技术

目前已经实现先进百万千瓦级压水堆核电站的自主设计、自主制造、自主建设和自主运营,全面建立与国际先进水平接轨的建设和运营管理模式,形成比较完整的自主化核电工业体系。掌握了AP1000 技术,世界首批AP1000机组建成并先后完成并网,标志着三代非能动核电技术消化吸收的完成。采用“华龙一号”自主三代技术的首堆示范项目开工建设,同样的三代非能动自主化核电“国和一    号”CAP1400已经完全具备开工建设条件。首座高温气冷堆技术商业化核电站示范工程建设进展顺利,核级数字化仪控系统实现自主化。

(3)先进小型化反应堆开发应用具有发展前景

开发小型堆对我国调整能源结构、支撑智能电网的发展、推动核能多元化应用、提升核电技术创新能力、确保核电技术领先地位、装备制造业产业升级、走出去、军民融合发展等具有重要意义。

在我国,小堆设计多重多样,竞相开放。中国核工业集团公司自2004年开始设计研发我国自主的小型轻水堆ACP100,目前已进入工程设计阶段,ACP100 关键设备及软件均属自主研发,示范工程正在海南昌江进行建设,预计建设单台100 MWe的ACP100机组。中国广核集团设计了ACPR100和ACPR50S,打算应用于海上浮动平台。此外清华大学、中国科学院核能安全技术研究所等单位都在开展小堆前期工作。目前已经通过国家能源局工程示范立项的主要包括中核集团的ACP100s和中广核集团的ACPR50s。

结合近年我国建设海洋强国的行动,基于小型堆技术的海洋核动力平台可以提供电力、热能、淡水等资源保障,并且以核能发电、供应热能或淡水,可根据需要变换供应点,且具有一次装料运行时间长,运行成本低、无有害气体排放、续航力高、海洋环境适应能力强等优点,是海洋油气开采能源供应和岛礁能源供给的最佳选择。中船重工集团进行了海洋核动力平台的研发。

另外,世界上主要发展中国家和新兴工业国家用电需求有限,电网基础设施建设尚不完善,将近75%的发电机组小于500 MWe,同时发展中国家的经济实力有限,无法支撑大型反应堆的建设。在“一带一路”建设背景下,构建全球能源互联网,关系到未来全球能源格局,已得到越来越多国家的支持和响应。相对大型堆,小型堆系统简化、安全性高、投资成本低,可有效的满足“一带一路”沿线国家对能源的需求。

(4)全面开展四代堆研发及示范工程建设

中核集团主攻钠冷快堆,在实验快堆的基础上,开始霞浦示范项目CFER600设计建设。清华大学的首座高温气冷堆技术商业化核电站示范工程建设不断推进。中国科学院上海应用物理研究所聚焦熔盐堆,承担中国科学院先导专项“钍基熔盐堆”项目开展研发和武威示范项目建设。中国科学院正式启动了战略性先导科技专项“未来先进核裂变能ADS嬗变系统”,针对铅基反应堆CLEAR开展全面研发工作,计划到2030年后建成工业示范的加速器驱动核废料嬗变系统。

(5) 关键共性支撑技术研究深入推进

在反应堆基础物理、热工水力研究、相关软件开发、试验验证等方面,三大核电集团、核安全局、中科院、各大主要高校等都相应开展了各具特色的研究工作。中核集团具有水堆、快堆软件及试验台架,广核具有小堆、华龙型号非能动安全、燃料元件等试验平台,国家电投开发了三代非能动核电软件,拥有完整的非能动安全、严重事故等试验台架。清华大学在高温气冷堆开展研究,上海交大、西安交大、华北电力、重庆大学等高校在反应堆物理、基础热工水力和严重事故研究中都开展了深入的研究工作。这些试验研究工作已经达到世界水平,正在积极开展各个方面的国际合作。另外,在自主燃料组件开发方面和ATF方面都投入了研究力量,并且部分自主化燃料组件已经开始进行相应实验测试,为最终入堆考验做好基础研发工作。

基于三代非能动核电技术的核能发展对策

三代非能动核电产业具备以下特点:

(1) 具备三代非能动核电技术核心竞争力;

(2)形成了较好的科技研发体系和能力;

(3)沿海核电厂址竞争激烈,内陆核电受国家核电政策影响进展缓慢;

(4)三代非能动核电推广应用还面临重大挑战;

(5)国际合作格局发生变化,海外市场还未取得明确进展。

发展对策可以考虑以下几点:

(1)完成三代核电AP1000自主化依托项目和CAP1400示范工程建设,完成压水堆重大专项任务。优化改进CAP1000,进一步提高经济性和安全性形成CAP1000设计体系并进行批量建设。燃料、软件、仪控、设备等三代核电关键领域核心技术通过验证并站在世界前列。

(2)致力于开发更安全更经济的核电技术,争取成为先进型号供应商和核电市场引领者。具备为国内外客户提供系列化先进核电型号一体化解决方案和全寿期技术服务的能力。

(3)积极推进核电向核能转变,推进多用途小型模块化堆等新型号的技术研发,推动北方地区核能供热项目落地;积极开展核能多能形式利用、核能-其他能源耦合等研究,推动示范项目落地。

(4)积极推进四代堆核能技术研发。

(5)在关键共性支撑技术和重点基础研究方面持续深入开展物理、热工、安全、严重事故分析、先进容错燃料、自主化燃料组件、先进材料研发,广泛开展国内外合作,达到世界领先水平,为集团核能技术创新可持续发展提供基础研发能力支持。


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