如何让14亿人碳中“核”?

2022-04-19 15:28  来源:微信公众号 “放大灯”(ID:guokr233),作者:温火    碳中“核”  核能利用  核能发电  核电经济性

在双碳大背景下,能源行业急需大力发展清洁而高效的能源,满足国内日益高涨的用电需求。然而一直以来,风光电等绿色能源受困于稳定性不足的先天缺陷,而储能技术的成熟与规模化又尚需一些时日。但其实人类社会在许多年前,就已经找到了一种可能的终极能源解决方案并一直沿用至今,那就是核能。


在双碳大背景下,能源行业急需大力发展清洁而高效的能源,满足国内日益高涨的用电需求。

然而一直以来,风光电等绿色能源受困于稳定性不足的先天缺陷,而储能技术的成熟与规模化又尚需一些时日。

但其实人类社会在许多年前,就已经找到了一种可能的终极能源解决方案并一直沿用至今,那就是核能。

01 市场概况

核电站的发电原理和火电类似,都是“烧水”,但核电通过核燃料裂变产生的热量“烧”水,使水转化成高温高压蒸汽驱动汽轮机发电。

能效角度,核电是一种非常高效、清洁的能源。1kg U235的充分裂变(也就是俗称的铀235),产生的能量相当于2700吨完全燃烧的标准煤或3700吨普通煤。以此计算,全球的核燃料资源能够提供的热量大约是化石燃料的十几万倍,因此,以裂变为基础的核能是长期缓和能源危机的有效手段

成本角度,核电在发电成本上明显低于火电,相较于光伏、风电、生物质等清洁能源,核电综合发电成本、利用效率和机组寿命也具备一定竞争力。

同时,即使光伏或风电这样被视作绿色能源的发电方式,实际上也有不容忽视的间接碳排放。唯有核能,具备全程维持极低碳排放的潜力(但也有大量技术问题尚未解决)。在双碳目标下,随着中国电力需求的不断增长,核电作为少数有望在未来大规模替代火电的基核能源,是国家能源结构转型升级过程中,最具潜力的选手之一

在我国当前的电力消费占比中,核电仅占5%,低于世界平均水平的10%[1],更远低于经合组织成员国的平均水平18%和美国的19.7%。可以说,中国国内的核电市场距离潜在巅峰发电水平至少还有数倍距离,核电市场具备可观的发展空间。

国内市场方面,根据中国核能行业协会发布的《中国核能发展报告(2020)》预计,十四五及中长期内核电建设有望按照每年6~8台持续稳步推进。按照当前百万千瓦机组建设成本150亿~200亿元人民币/台计算,每年将带来千亿的市场空间[2]。根据测算,建成后的单台华龙一号年发电能力近100亿度[3],发电收入近40亿元(按照三代核电上网电价0.4元/度保守估算[4]),60年运行寿期内可为投资者带来可观收益。

而在政策面上,本土核能行业也逐步迎来利好。在此前的十三届人大四次会议上,《2021年政府工作报告》重点提出“在确保安全的前提下积极有序发展核电”,这是近十年来政府工作报告中首次使用“积极”的字眼提及核电。

02 主流技术划分及未来发展趋势

核能发电始于上世纪50年代,经历了半个多世纪不同阶段的发展,如今分布在31个国家的448座反应堆提供了全球10%的电力[4],伴随着核电发展的不同阶段,核电厂设计诞生了“代”概念。

一代反应堆

二战期间,各国在研制核武器的同时,也在致力于核能的民用研究,为了研究核反应堆的特性和核电的工程可实施性,各国建立了一批试验堆和原型堆(也即第一代核电站),如苏联的第一座原子能电站(位于奥布宁斯克),美国的希平港核动力厂等。

二代反应堆

第二代核电站是指20世纪60年代末期开始投入商业运行的核电机组,当前大部分在运行的核电站都属于二代或二代半。主流的二代核电站技术有5种,分别是:压水堆、沸水堆、重水堆、高温气冷堆、快中子堆。

五种主要动力堆基本特征

核反应堆通过可控链式裂变核反应产生热量,裂变产生的中子都是“高能中子”,即能量在2~10MeV的“快中子”。快中子堆中,裂变由“快中子”引起,无需中子慢化剂。热中子堆中裂变是由热中子引起的,需要足够的中子慢化剂。冷却剂是堆内载热的介质。

压水堆

压水堆是使用加压的轻水(提高沸点)做冷却剂和慢化剂的反应堆,采用富集度3%~5%的铀做核燃料。压水堆分为三个回路,一回路的作用是利用高压水带走堆内热量。二回路的作用是接收一回路高压水传递出的热量,并将其用来发电,三回路是用来将二回路发电后的余热排放到环境(江、河、湖、海或大气)。

如下图所示,核反应堆放置在压力容器中进行可控链式核裂变反应,其冷却剂入口水温在290℃左右,出口水温在330℃左右,一回路压力为15.5MPa,压力靠一台稳压器进行控制,回路中不允许出现沸腾现象[5]。核反应堆堆芯出口冷却剂从压力容器上部离开核反应堆,进入蒸汽发生器,将热量传递给二回路。从蒸汽发生器产生的高温蒸汽流过汽轮机,带动发电机组发电。不能利用的大部分能量通过三回路排放。

基于军用核反应堆的应用基础,结合工业上使用轻水的长期经验,压水堆技术成为了核电发展的重点技术,曾一度垄断核电国际市场。其最显著的优点是结构紧凑、堆芯功率密度大,在相同功率下比其他堆型的体积小,同时经济性好,基建费用低,建设周期短,同时轻水便宜、易于获得和处理,既可以用作慢化剂,又可以当做冷却剂。在上述因素的共同影响下,压水堆在世界上的机组占比达到65%。

沸水堆

沸水堆是利用沸水做慢化剂和冷却剂,并在压力容器内直接产生饱和蒸汽的核反应堆。沸水堆将压水堆的一、二回路合并成一个回路,液态冷却剂进入堆芯后产生蒸汽,携带堆芯热量的汽水混合物向上经过压力容器上部空间的汽水分离器和干燥器,约13%的流体为蒸汽直接进入汽轮机发电,蒸汽做工后经过冷凝器作为给水返回堆芯。剩下87%的流体则重新进入循环。

沸水堆和压水堆相比具有一些优点:

直接循环,反应堆直接产生蒸汽,节省了一个回路,无需昂贵的蒸汽发生器和稳压器,能减少大量的设备需求;

工作压力低,但产生的蒸汽温度和压力比压水堆高,因此热力系统效率比压水堆高。

然而,沸水堆的辐射防护问题却极复杂,由于核反应堆流出的冷却剂直接引入汽轮机,导致汽轮机等重要设备的辐射屏蔽和废物处理的需求高,停堆检修时间长,电厂设备利用率低。此外,沸水堆的功率密度比压水堆小,需要的核燃料比同功率压水堆多,经济性上可能略差一些。

在当前的核电市场中,主要是日本和中国台湾省采用这一技术路线。

重水堆

重水堆是用重水作慢化剂的核反应堆,其核电站堆型也称为CANDU堆,主要分为压力管式与压力壳式两种。以压力管式重水堆为例,核反应堆所在的容器称为排管容器,里面装有低温、低压的重水,成排的燃料管道贯穿排管容器,这种燃料管道包含内外两层套管,用来分隔慢化剂和冷却剂。主泵将重水送入排管容器,流经燃料通道带走热量,而后经过蒸汽发生器,将热量传递给二次侧轻水蒸汽推动汽轮机做工。重水堆反应堆回路同样设置稳压器,以维持较高的系统压力。

相较于轻水堆,重水堆能够使用天然铀作核燃料无需为重水堆建立浓缩铀厂。另外由于其慢化剂和冷却剂分开,失水事故的后果可能没有轻水堆严重。

然而重水的慢化能力(可简单理解为减慢中子运动速度的能力)不如轻水,为了充分慢化高能中子,需要大量重水慢化剂,导致同样功率的重水堆堆芯远比压水堆要大。另一方面,20t天然水仅能制备3kg重水,费用十分高昂。

由于重水堆的建设不需要依赖铀浓缩厂,印度、阿根廷、巴基斯坦等国家先后引进了加拿大的CANDU堆,我国秦山3期工程两机组也为重水堆。

高温气冷堆

气冷堆用气体作为冷却剂而非传统的水,其优点是不会发生堆内沸腾,缺点是气体导热能力差,需加压运行。

当代的高温气冷堆技术采用化学惰性高、热工性能好的氦气作冷却剂,燃料元件为全陶瓷型包覆颗粒,用石墨做慢化剂,堆芯出口氦气的设计温度有望实现950℃。燃料元件主要结构形式有两种,一种类似压水堆呈棱柱状,另一种燃料元件为球形。

首先石墨作为一种固有温度反应性系数为负数的材料(可简单理解为温度越高越会抑制核反应),负反馈保证反应堆高温后可迅速降低功率,确保反应堆安全。且试验表明,石墨在2100℃条件下,包覆颗粒仍能保持完整性,且能承受3000℃以上的高温。极高的熔点意味着在严重事故中,事故温度不足以让高温气冷堆堆芯融化,也就确保了不会发生类似切尔诺贝利的事件。第三代高温气冷因为上述优点是国际公认的安全性好、发电效率高的先进反应堆。

快中子堆

快堆是利用高能中子引发裂变反应的核反应堆,通常用液态金属钠作冷却剂。快中子堆主要分为两类,回路式结构和池式一体化结构。

以回路式结构为例,堆芯产生的热量通过封闭的钠冷却剂回路先后传递给中间回路和汽水回路推动汽轮机组发电,与压水堆不同的是钠冷快堆增加了一个以液态钠为介质的中间回路,以避免蒸汽发生器泄露引起的钠水反应威胁核反应堆本体。

回路式结构

池式一体化结构将堆芯、钠循环泵、中间热交换器(即一回路)放置在一个体积庞大的液态钠池中,通过钠泵给液钠提供动力,液钠通过堆芯被加热到550℃后,从堆芯上部流出经中间热交换器换热,温度降到400℃左右。较高的出口温度使得快堆的热效率能够达到41%,远超压水堆。

池式一体化结构

此外,目前的热中子堆对铀的利用率,折算为天然铀资源仅为约1%~2%,快堆通过结合后处理技术,能够将铀资源的利用率提高到70%。但快堆由于钠水反应,钠中含氧量高能造成极为严重的腐蚀等问题,导致其应用范围不广,主要集中在俄罗斯,且尚未全面进入商用。

三代反应堆

在经历了切尔诺贝利和三里岛事故后,全世界从安全性和经济性上对核技术有了更新的要求。

第三代轻水堆是根据美国核电用户要求文件(URD)和欧洲核电用户要求文件(EUR),在安全设计、性能设计和经济性方面都有较大提升的核动力厂,如专设安全系统需保证堆芯累计损坏频率小于10-5/堆年,或是非能动核电厂设计至少保证至少72小时无需操作员干预等。其代表性堆型是AP1000、EPR和华龙一号。

AP1000

AP1000是美国西屋公司开发的电功率为1117MW的压水堆,该堆型创造性地将“非能动”安全理念引入安全系统地设计中,并大大简化了系统配置,满足URD要求。AP1000的全球首堆已于2018年在我国三门市实现并网发电。

AP1000设计参数[6]

EPR

EPR是由西门子公司、法国电力集团、法玛通公司联合研发的欧洲第三代压水堆,采取安全系统多样性和增强冗余性理念,说白了就是为安全功能多设几样系统,每样系统多设置几列一样的,一般是4列。下表列出了EPR的主要指标,为了降低发电成本,其提高了电功率和热工参数,发电机组的热效率高。全球首座投入商运的EPR机组2019年于我国台山市正式并网发电。

EPR设计参数[7]

华龙一号

华龙一号是中核集团与中广核开发的、具备能动和非能动相结合安全特征的先进核电厂。华龙一号是基于现有压水堆核电厂的渐进式设计,具备177堆芯、CF3先进燃料组件、能动与非能动安全系统、全面的严重事故预防与缓解措施等。2020年,华龙一号全球首堆——福清核电5号机组正式并网发电。随着近几年海内外华龙一号示范项目相继并网,我国后续可能会迎来该型号的批量化建设阶段。

华龙一号设计参数[5]

2000年,美国能源部牵头提出了面向未来的“四代核电”概念及14项基本要求,并由此衍生出了6种主要候选堆型,然而由于材料等技术的限制以及经济性等指标的过高要求,想看到四代堆脱离“纸面”尚极为遥远。可以认为,第三代压水堆将是未来我国核电领域最有希望得到广泛应用的技术路线。

03 行业参与者与产业链概况

与许多人想象的不同,核电领域并非完全封闭,是留有供社会资本进入窗口的,例如2020年核准的三澳核电是国内首个引入民间资本的核电建设项目。但核电作为一个极其特殊与敏感,且重资产运行的行业,当前建设发展仍高度依赖国家投资推动。

从产业链看,核电的上中下游分别为:

上游:核燃料制备;

中游:设备制造;

下游:核电站建设、运营及乏燃料处理。

核燃料制备

美国核能研究所认为,核能的铀成本约为14%,如果包括所有前端和废物管理成本,则总的燃料成本约为34%。2021年中国广核在投资者互动平台表示,核燃料成本占销售电力业务营业成本的比重约为30%左右。

作为一种极为敏感的物质,核燃料管制非常严格,许可准入壁垒极高,行业业态较为固定。中核是我国唯一能够开采铀矿的核电企业,也是国内铀的唯一供应商,在核燃料前端保持垄断地位。除国内开采这一渠道外,国内的核电业主们同样进行海外投资和国际贸易布局,在哈萨克斯坦、纳米比亚、澳大利亚、加拿大等国家投资建矿,以保证国内铀资源的充足供应。

设备制造

中游是核电产业投资占比最高的环节,可达50%以上,这也是是民营企业参与度最高的板块。核电设备包括核岛设备、常规岛设备、辅助设备三个大类。

核岛说的是执行核安全功能的厂房统称,主要包括核反应堆压力容器、主泵、主管道、蒸汽发生器、核级泵阀、换热器等,这部分设备大多执行核安全功能,运行工况复杂,标准要求严苛,造成厂家的技术壁垒高,毛利率高,属于高端产品线。

常规岛指的是将热能转换为机械能进而转化为电能的无核区域,如汽轮机厂房及其配套厂房。常规岛设备和辅助设备的执行标准同其他工业用途类似,并不具备“核”的特殊性,因此该领域的准入门槛低,同质化竞争严重,毛利率低。

核电站建设、运营及乏燃料处理

目前核电建设与运营主要以中核、中广核、国电投三家为主,CR2高达87%,呈现高度垄断的态势。针对乏燃料(烧完的废料)的后处理,当前阶段我国的方法主要为“开式循环”,业内也称“一次通过式”(once through),即乏燃料不进行后处理,将乏燃料长期贮存,直接放置于核电站的乏燃料水池或甘肃北山的地下存储基地中。

“闭式循环”则是通过后处理将乏燃料回收利用,提取其中的锕系核素重新制作核燃料,旨在尽可能的提高经济效益并降低核废料的重量。但总体来说这一路线仍处发展早期,也不够成熟,乏燃料后处理厂及相关产业是一片蓝海市场,目前尚未有直接相关公司上市。

此外,除了基本的技术问题外,核电行业仍面临着建设成本高、建设周期长、电站老化管理、高放废物处置及公众接受度低等一系列复杂问题。

然而这些问题单靠核电产业本身很难解决,需要在外部力量的介入下协同发展,如来自国家政策层面的扶持,社会资本的接入等,本文受篇幅所限不就此进一步展开。

References:

[1] IAEA公布2019年全球核电发展数据,国家原子能机构分析http://www.caea.gov.cn/n6758881/n6759299/c6810177/content.html

[2] 中国核电网分析:华龙一号造价比AP1000低多少?https://www.cnnpn.cn/article/23019.html

[3] 我国第二台“华龙一号”核电机组并网发电,中央政府网http://www.gov.cn/xinwen/2022-01/02/content_5666149.htm

[4] 国家发展改革委关于三代核电首批项目试行上网电价的通知https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/tz/201904/t20190401_962414.html?code=&state=123

[5] 《华龙一号 能动与非能动相结合的先进压水堆核电厂》原子能出版社

[6] 杨洋. 三代核电技术简析及主要堆型对比分析[J]. 现代工业经济和信息化, 2017, 7(10):3.

[7] Yong WANG, Ji-en MA, You-tong FANG,等. 世界三代压水堆主要机型技术分析英文[J]. Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics & Engineering), 2016.

本文来自微信公众号 “放大灯”(ID:guokr233),作者:温火,编辑:陈闷雷,36氪经授权发布。



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