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中國的新能源,2030年前看太陽能和風能,2030年后看四代核電

01 引言
 
10月24日,國務院印發了《2030年碳達峰行動方案》(以下簡稱《方案》),系統的規劃了碳達峰的路線圖。
 
《方案》提出的主要目標包括:
 
“十四五”期間,產業結構和能源結構調整優化取得明顯進展,重點行業能源利用效率大幅提升,煤炭消費增長得到嚴格控制,新型電力系統加快構建,綠色低碳技術研發和推廣應用取得新進展,綠色生產生活方式得到普遍推行,有利于綠色低碳循環發展的政策體系進一步完善。到2025年,非化石能源消費比重達到20%左右,單位國內生產總值能源消耗比2020年下降13.5%,單位國內生產總值二氧化碳排放比2020年下降18%,為實現碳達峰奠定堅實基礎。
 
“十五五”期間,產業結構調整取得重大進展,清潔低碳安全高效的能源體系初步建立,重點領域低碳發展模式基本形成,重點耗能行業能源利用效率達到國際先進水平,非化石能源消費比重進一步提高,煤炭消費逐步減少,綠色低碳技術取得關鍵突破,綠色生活方式成為公眾自覺選擇,綠色低碳循環發展政策體系基本健全。到2030年,非化石能源消費比重達到25%左右,單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降65%以上,順利實現2030年前碳達峰目標。
 
在《方案》中,太陽能和風能成為新能源的主角,規劃到2030年風電、太陽能發電總裝機容量達到12億千瓦以上。而截至今年9月,我國風電裝機容量為3.0億千瓦,太陽能能發電2.8億千瓦,未來十年風電、太陽能發電總裝機容量將會增長超過一倍,成為新能源建設的主力。
 
同時,《方案》提到,積極安全有序發展核電。理清核電站布局和開發時序,在確保安全的前提下有序發展核電,保持平穩建設節奏。積極推動高溫氣冷堆、快堆、模塊化小型堆、海上浮動堆等先進堆型示范工程,開展核能綜合利用示范。加大核電標準化、自主化力度,加快關鍵技術裝備攻關,培育高端核電裝備制造產業集群。實行最嚴格的安全標準和最嚴格的監管,持續提升核安全監管能力。
 
那么,是不是太陽能和風電已經穩壓核能,成為新能源的主流了呢?筆者認為不然。雖然太陽能發電的成本已經逼近燃煤發電,但是由于太陽能發電能量密度低、只能在白天發電與人們的用電需求不完全同步、受氣候環境因素影響大,需要配套儲能才能提供穩定的電源,綜合成本并不低。而相比于太陽能,風能更不穩定,更難承擔基礎載荷。因此,筆者認為,2030年碳達峰之前,太陽能和風能會是新能源的主角,而要實現2060年的碳中和,核電更有可能成為能源的主力。當然,這里指的核電不僅包括現在主流的三代技術,也暫時不考慮開發難度過于巨大的核聚變技術,十年內逐漸成熟的四代核電技術很有可能引領未來新能源的潮流。

 

02核電的發展歷史
 
核電技術是利用核裂變或核聚變反應所釋放的能量發電的技術。因為受控核聚變存在技術障礙,核電站都是采用核裂變技術。五、六十年代建造的驗證性核電站為第一代核電技術;70、80年代標準化、系列化、批量建設的核電站稱為第二代;第三代是指90年代開發研究成熟的先進輕水堆;第四代核電技術是指待開發的核電技術,其主要特征是防止核擴散,具有更好的經濟性,安全性高和廢物產生量少。
 
第一代核電技術即早期原型反應堆,主要目的是為通過試驗示范形式來驗證核電在工程實施上的可行性。前蘇聯在1954年建成5兆瓦實驗性石墨沸水堆型核電站;英國1956年建成45兆瓦原型天然鈾石墨氣冷堆型核電站;美國1957年建成60兆瓦原型壓水堆型核電站;法國1962年建成60兆瓦天然鈾石墨氣冷堆型核電站;加拿大1962年建成25兆瓦天然鈾重水堆型核電站。這些核電站均屬于第一代核電站。
 
第二代核電技術是在第一代核電技術的基礎上建成的,它實現了商業化、標準化等,包括壓水堆、沸水堆和重水堆等,單機組的功率水平在第一代核電技術基礎上大幅提高,達到千兆瓦級。在第二代核電技術高速發展期,美、蘇、日和西歐各國均制定了龐大的核電規劃。美國成批建造了500至1100兆瓦的壓水堆、沸水堆,并出口其他國家;前蘇聯建造了1000兆瓦石墨堆和440兆瓦、1000兆瓦VVER型壓水堆;日本和法國引進、消化了美國的壓水堆、沸水堆技術。
 
第三代核電技術指滿足美國“先進輕水堆型用戶要求”(URD)和“歐洲用戶對輕水堆型核電站的要求”(EUR)的壓水堆型技術核電機組,是具有更高安全性、更高功率的新一代先進核電站。第三代先進壓水堆型核電站主要有ABWR、System80+、AP600、AP1000、EPR、ACR等技術類型,其中具有代表性的是美國的AP1000和法國的EPR。中國已引進AP1000并消化吸收,在此基礎上自主研究開發了華龍一號、國和一號等堆型,并已實現了商用。
 
03第四代核電技術
 
第四代核電技術的概念最早是在1999年6月召開的美國核學會年會上提出的。這項計劃總的目標是在2030年左右,向市場上提供能夠很好解決核能經濟型、安全性、廢物處理和防止核擴散問題的第四代核能系統。2000年,美國、法國、日本、英國等核電發達國家組建了第四代核能系統國際論壇。經過兩年的評估比較,第四代核能系統國際論壇在2002年12月選擇了氣冷快堆、鈉冷快堆、鉛冷或鉛/鉍冷快堆、超常高溫氣冷堆、超臨界輕水快堆和熔鹽堆等6種堆型。
 
第四代核電技術有三個具體的目標:首先,在安全、可靠運行方面將明顯優于其他核能系統;其次,堆芯損壞的可能性極低,即使損壞,程度也很輕;在事故條件下無廠外釋放,不需要場外應急,表明無論核電廠發生什么事故,都不會損害場外公眾和環境。可以說,四代核電基礎在各個方面,都會大幅度超過現有的核電技術,尤其是安全性,基本上可以實現無環境風險,這也預示著四代核電技術下核電站可以完全取代現有火電站。當然,相關的技術要求也會更高,這也是為什么第四代核電技術要10年之后才會成熟。不過不同于開發難度巨大的核聚變技術,四代核電站的開發線路圖還是有相當大的可實現性的。
 
04中國的四代核電技術已經走在世界的前列
 
2021年是我國四代核電技術捷報頻傳的一年。今年9月開始甘肅武威試運行的釷基熔鹽堆,擺脫了之前鈾和钚元素為燃料的核能發電模式,改用以放射性極低的釷元素為核燃料,這種釷基熔巖堆安全系數高,熱轉換效率高,節省水資源,環境兼容性大,核污染只有鈾和钚核反應堆的1‰。更為重要的是,釷基熔鹽堆擺脫了我國較為稀缺的鈾,而以我國極為豐富的釷作為燃料,據報道在白云鄂博礦區的尾礦廢渣中就有超過7萬噸的釷,能夠完全實現燃料的自給自足。甘肅武威的釷基熔鹽堆若試驗成功,將為下一步商業化奠定堅實的基礎。
 
除了釷基熔鹽堆,今年獲得國家最高科學技術獎的王大中院士帶領團隊開發的高溫氣冷堆也實現了相關技術從跟跑、并跑到領跑的整體發展過程,相關技術更為成熟。11月3日7時10分,我國擁有自主知識產權的世界首座高溫氣冷堆核電站示范工程——華能石島灣高溫氣冷堆示范工程1號反應堆冷態功能試驗一次成功。
 
這是繼10月19日2號反應堆冷試一次成功后的又一重大節點勝利,標志著示范工程順利完成雙堆冷試,核島核心系統建設質量得到全面檢驗,提前14天完成這一年度目標任務,為后續熱態功能試驗、機組裝料等關鍵節點奠定堅實基礎。
 
作為國家科技重大專項,華能石島灣高溫氣冷堆示范工程不同于常規壓水堆核電工程,它由兩座反應堆、兩臺蒸汽發生器帶動一臺汽輪機發電,因此,“雙堆冷試”成為檢驗示范工程建設質量和核島一回路國產化設備性能的重要指標。
 
相較于三代核電,高溫氣冷堆有更高的熱效率和安全性。這種反應堆使用的是耐高溫的石墨和碳磚砌成的爐子形狀的裝置,內部則是很多耐高溫石墨制成的圓形燃料球,里面是那些能產生高溫的放射性物質,運行時其核能熱量轉換和冷卻過程中不是使用水,而是采用氦氣,氣冷堆出口溫度可以高達750℃,比目前普遍使用的水冷反應堆產生300多攝氏度的高溫高出了一倍多。
 
在核能發電領域,產生更高的溫度意味著發電效率也更高,一般認為使用高溫氣冷堆技術能讓核力發電效率提高30%以上,所以華能石島灣核電站高溫氣冷堆也堪稱是目前全球發電效率最高的核反應堆。
 
高溫氣冷核反應堆也是目前世界上主流核電國家正在競相科研攻關的核能發電技術,也是我國現階段16個國家級重大科技專項之一,與探月過程,深海下潛以及大飛機制造并列,足見其重要程度。
 
高溫氣冷堆有更廣泛的適用性,它不僅能發電,還可以用于石油,化工以及煉鋼等領域,它提供的高溫熱能可代替煤炭等燃料發熱,通過熱電聯供的方式,它產生的熱能可以應用到海水淡化、集中供熱、稠油熱采等領域,理論上這種反應堆技術提升后將來可形成出口溫度高達1000℃的清潔熱源,可以應用到煤的氣化液化與熱化學制氫領域,還可為氫能源時代的到來助一把力,所以這是一種在很多領域都具有革新意義的先進技術,其開發前景十分廣闊。
 
05結論
 
四代核電技術安全性高,經濟效益好,能夠負擔基礎載荷,是燃煤電廠最好的替代選擇。這些年我國在核電發展方面很注重技術和裝備的自主性,有效的保障了核安全以及防止被技術“掐脖子”,目前我國的核電技術方面已經進入到世界先進行列,而且某些方面已經世界領先。按照現有的研究路線,中國的四代核電技術可以在2030年實現大規模的商用。因此,在2030年碳達峰之后,四代核電有可能開始大范圍取代火電,成為新能源的主角



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