中国的新能源,2030年前看太阳能和风能,2030年后看四代核电

2021-11-08 14:31  来源:韩行长    新能源  核能利用

笔者认为,2030年碳达峰之前,太阳能和风能会是新能源的主角,而要实现2060年的碳中和,核电更有可能成为能源的主力。当然,这里指的核电不仅包括现在主流的三代技术,也暂时不考虑开发难度过于巨大的核聚变技术,十年内逐渐成熟的四代核电技术很有可能引领未来新能源的潮流。


01 引言
 
10月24日,国务院印发了《2030年碳达峰行动方案》(以下简称《方案》),系统的规划了碳达峰的路线图。
 
《方案》提出的主要目标包括:
 
“十四五”期间,产业结构和能源结构调整优化取得明显进展,重点行业能源利用效率大幅提升,煤炭消费增长得到严格控制,新型电力系统加快构建,绿色低碳技术研发和推广应用取得新进展,绿色生产生活方式得到普遍推行,有利于绿色低碳循环发展的政策体系进一步完善。到2025年,非化石能源消费比重达到20%左右,单位国内生产总值能源消耗比2020年下降13.5%,单位国内生产总值二氧化碳排放比2020年下降18%,为实现碳达峰奠定坚实基础。
 
“十五五”期间,产业结构调整取得重大进展,清洁低碳安全高效的能源体系初步建立,重点领域低碳发展模式基本形成,重点耗能行业能源利用效率达到国际先进水平,非化石能源消费比重进一步提高,煤炭消费逐步减少,绿色低碳技术取得关键突破,绿色生活方式成为公众自觉选择,绿色低碳循环发展政策体系基本健全。到2030年,非化石能源消费比重达到25%左右,单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降65%以上,顺利实现2030年前碳达峰目标。
 
在《方案》中,太阳能和风能成为新能源的主角,规划到2030年风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上。而截至今年9月,我国风电装机容量为3.0亿千瓦,太阳能能发电2.8亿千瓦,未来十年风电、太阳能发电总装机容量将会增长超过一倍,成为新能源建设的主力。
 
同时,《方案》提到,积极安全有序发展核电。理清核电站布局和开发时序,在确保安全的前提下有序发展核电,保持平稳建设节奏。积极推动高温气冷堆、快堆、模块化小型堆、海上浮动堆等先进堆型示范工程,开展核能综合利用示范。加大核电标准化、自主化力度,加快关键技术装备攻关,培育高端核电装备制造产业集群。实行最严格的安全标准和最严格的监管,持续提升核安全监管能力。
 
那么,是不是太阳能和风电已经稳压核能,成为新能源的主流了呢?笔者认为不然。虽然太阳能发电的成本已经逼近燃煤发电,但是由于太阳能发电能量密度低、只能在白天发电与人们的用电需求不完全同步、受气候环境因素影响大,需要配套储能才能提供稳定的电源,综合成本并不低。而相比于太阳能,风能更不稳定,更难承担基础载荷。因此,笔者认为,2030年碳达峰之前,太阳能和风能会是新能源的主角,而要实现2060年的碳中和,核电更有可能成为能源的主力。当然,这里指的核电不仅包括现在主流的三代技术,也暂时不考虑开发难度过于巨大的核聚变技术,十年内逐渐成熟的四代核电技术很有可能引领未来新能源的潮流。
 
02核电的发展历史
 
核电技术是利用核裂变或核聚变反应所释放的能量发电的技术。因为受控核聚变存在技术障碍,核电站都是采用核裂变技术。五、六十年代建造的验证性核电站为第一代核电技术;70、80年代标准化、系列化、批量建设的核电站称为第二代;第三代是指90年代开发研究成熟的先进轻水堆;第四代核电技术是指待开发的核电技术,其主要特征是防止核扩散,具有更好的经济性,安全性高和废物产生量少。
 
第一代核电技术即早期原型反应堆,主要目的是为通过试验示范形式来验证核电在工程实施上的可行性。前苏联在1954年建成5兆瓦实验性石墨沸水堆型核电站;英国1956年建成45兆瓦原型天然铀石墨气冷堆型核电站;美国1957年建成60兆瓦原型压水堆型核电站;法国1962年建成60兆瓦天然铀石墨气冷堆型核电站;加拿大1962年建成25兆瓦天然铀重水堆型核电站。这些核电站均属于第一代核电站。
 
第二代核电技术是在第一代核电技术的基础上建成的,它实现了商业化、标准化等,包括压水堆、沸水堆和重水堆等,单机组的功率水平在第一代核电技术基础上大幅提高,达到千兆瓦级。在第二代核电技术高速发展期,美、苏、日和西欧各国均制定了庞大的核电规划。美国成批建造了500至1100兆瓦的压水堆、沸水堆,并出口其他国家;前苏联建造了1000兆瓦石墨堆和440兆瓦、1000兆瓦VVER型压水堆;日本和法国引进、消化了美国的压水堆、沸水堆技术。
 
第三代核电技术指满足美国“先进轻水堆型用户要求”(URD)和“欧洲用户对轻水堆型核电站的要求”(EUR)的压水堆型技术核电机组,是具有更高安全性、更高功率的新一代先进核电站。第三代先进压水堆型核电站主要有ABWR、System80+、AP600、AP1000、EPR、ACR等技术类型,其中具有代表性的是美国的AP1000和法国的EPR。中国已引进AP1000并消化吸收,在此基础上自主研究开发了华龙一号、国和一号等堆型,并已实现了商用。
 
03第四代核电技术
 
第四代核电技术的概念最早是在1999年6月召开的美国核学会年会上提出的。这项计划总的目标是在2030年左右,向市场上提供能够很好解决核能经济型、安全性、废物处理和防止核扩散问题的第四代核能系统。2000年,美国、法国、日本、英国等核电发达国家组建了第四代核能系统国际论坛。经过两年的评估比较,第四代核能系统国际论坛在2002年12月选择了气冷快堆、钠冷快堆、铅冷或铅/铋冷快堆、超常高温气冷堆、超临界轻水快堆和熔盐堆等6种堆型。
 
第四代核电技术有三个具体的目标:首先,在安全、可靠运行方面将明显优于其他核能系统;其次,堆芯损坏的可能性极低,即使损坏,程度也很轻;在事故条件下无厂外释放,不需要场外应急,表明无论核电厂发生什么事故,都不会损害场外公众和环境。可以说,四代核电基础在各个方面,都会大幅度超过现有的核电技术,尤其是安全性,基本上可以实现无环境风险,这也预示着四代核电技术下核电站可以完全取代现有火电站。当然,相关的技术要求也会更高,这也是为什么第四代核电技术要10年之后才会成熟。不过不同于开发难度巨大的核聚变技术,四代核电站的开发线路图还是有相当大的可实现性的。
 
04中国的四代核电技术已经走在世界的前列
 
2021年是我国四代核电技术捷报频传的一年。今年9月开始甘肃武威试运行的钍基熔盐堆,摆脱了之前铀和钚元素为燃料的核能发电模式,改用以放射性极低的钍元素为核燃料,这种钍基熔岩堆安全系数高,热转换效率高,节省水资源,环境兼容性大,核污染只有铀和钚核反应堆的1‰。更为重要的是,钍基熔盐堆摆脱了我国较为稀缺的铀,而以我国极为丰富的钍作为燃料,据报道在白云鄂博矿区的尾矿废渣中就有超过7万吨的钍,能够完全实现燃料的自给自足。甘肃武威的钍基熔盐堆若试验成功,将为下一步商业化奠定坚实的基础。
 
除了钍基熔盐堆,今年获得国家最高科学技术奖的王大中院士带领团队开发的高温气冷堆也实现了相关技术从跟跑、并跑到领跑的整体发展过程,相关技术更为成熟。11月3日7时10分,我国拥有自主知识产权的世界首座高温气冷堆核电站示范工程——华能石岛湾高温气冷堆示范工程1号反应堆冷态功能试验一次成功。
 
这是继10月19日2号反应堆冷试一次成功后的又一重大节点胜利,标志着示范工程顺利完成双堆冷试,核岛核心系统建设质量得到全面检验,提前14天完成这一年度目标任务,为后续热态功能试验、机组装料等关键节点奠定坚实基础。
 
作为国家科技重大专项,华能石岛湾高温气冷堆示范工程不同于常规压水堆核电工程,它由两座反应堆、两台蒸汽发生器带动一台汽轮机发电,因此,“双堆冷试”成为检验示范工程建设质量和核岛一回路国产化设备性能的重要指标。
 
相较于三代核电,高温气冷堆有更高的热效率和安全性。这种反应堆使用的是耐高温的石墨和碳砖砌成的炉子形状的装置,内部则是很多耐高温石墨制成的圆形燃料球,里面是那些能产生高温的放射性物质,运行时其核能热量转换和冷却过程中不是使用水,而是采用氦气,气冷堆出口温度可以高达750℃,比目前普遍使用的水冷反应堆产生300多摄氏度的高温高出了一倍多。
 
在核能发电领域,产生更高的温度意味着发电效率也更高,一般认为使用高温气冷堆技术能让核力发电效率提高30%以上,所以华能石岛湾核电站高温气冷堆也堪称是目前全球发电效率最高的核反应堆。
 
高温气冷核反应堆也是目前世界上主流核电国家正在竞相科研攻关的核能发电技术,也是我国现阶段16个国家级重大科技专项之一,与探月过程,深海下潜以及大飞机制造并列,足见其重要程度。
 
高温气冷堆有更广泛的适用性,它不仅能发电,还可以用于石油,化工以及炼钢等领域,它提供的高温热能可代替煤炭等燃料发热,通过热电联供的方式,它产生的热能可以应用到海水淡化、集中供热、稠油热采等领域,理论上这种反应堆技术提升后将来可形成出口温度高达1000℃的清洁热源,可以应用到煤的气化液化与热化学制氢领域,还可为氢能源时代的到来助一把力,所以这是一种在很多领域都具有革新意义的先进技术,其开发前景十分广阔。
 
05结论
 
四代核电技术安全性高,经济效益好,能够负担基础载荷,是燃煤电厂最好的替代选择。这些年我国在核电发展方面很注重技术和装备的自主性,有效的保障了核安全以及防止被技术“掐脖子”,目前我国的核电技术方面已经进入到世界先进行列,而且某些方面已经世界领先。按照现有的研究路线,中国的四代核电技术可以在2030年实现大规模的商用。因此,在2030年碳达峰之后,四代核电有可能开始大范围取代火电,成为新能源的主角。


深圳核博会

图为技术


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