能源技术展望 2008–核电

近日，国际能源委员会（IEA）发布了《能源技术展望2008》（Energy Technology Perspective 2008），本文对该报告进行了摘编。
《能源技术展望2008》中假设了三个情景，报告的所有内容都是基于这三个情景而言。这三个情景的假设主要是根据CO2排放量和CO2浓度来划分。
1．基准情景（Baseline scenario）。该情景假设全球CO2排放量会从2005年的27GW增加到2050年的62GW，CO2浓度从现在的385ppm达到550ppm（parts per million，一百万体积的空气中所含污染物的体积数）。
2．ACT系列情景（ACT Map scenario）。该情景假设全球CO2排放量到2030年为34GW，到2050年时降到现在的水平，2050年CO2浓度为485ppm。
3．Blue系列情景（Blue Map scenario）。该情景假设到2050年全球CO2排放量为14GW，并且2050年之后CO2排放量会保持一个较平稳的发展态势，2050年CO2浓度为450ppm。
一、核电装机容量
核电作为一种清洁能源，无论对于发展中国家还是对于发达国家来说，都起着越来越重要的作用。以全球每年增加30GW 的核电装机容量计算，每年能够减少6%的CO2排放量。图1 为全球核电装机容量和核发电量。目前，中国核电装机容量较低，但是在ACT系列情景和Blue系列情景下，中国将变为全球核电的主要使用者，印度和OECD国家的核电装机容量增长也会比较显著。

图1 全球核电装机容量和核发电量

二、核发电量
2007年，全球共有438个正在运行的核电厂，372GW的核电装机容量。另有31个反应堆正在建设过程中，分别分布在亚洲、俄罗斯、保加利亚和乌克兰，总装机容量24GW。2006年，全球核发电量为2700TWh，占世界发电总量的16%，占OECD国家发电总量的25%。图2为在基准情景、ACT系列情景和BLUE系列情景下主要地区核发电量。

图2 在基准情景、ACT系列情景和BLUE系列情景下主要地区核发电量

目前，全球约有60%的核电装机容量在美国、法国和日本。美国是世界拥有核反应堆数量最多的国家，有104个核反应堆。法国是全球核电比例最高的国家，其核电占全国发电总量的78%。图3为各国核电占本国发电总量比例图。

图3 各国核电占本国发电总量比例

三、核电安全
核电安全是发展核电倍受关注的话题。目前全球已经发生过两起核电事故。一起是1979年美国发生的三哩岛事故，在这次事故中，核反应堆破坏严重，但所幸的是核辐射没有扩散出来，没有给人类健康和环境带来负面影响。另一起是1986年发生在乌克兰的切尔诺贝利事故，这次事故造成40人死亡，并给人类健康和环境造成了严重后果。
在这两次事故之后，世界核工业对核电安全发展投入更多，提高了世界范围内反应堆运行测试性能。一方面，核电厂引入了“纵深防御”的概念。“纵深防御”是核电站消防设计应遵循的基本原则，包括五道防线，从设备和措施上提供多层次的重迭保护，确保反应堆的功率能得到有效的控制，燃料组件能得到充分冷却，放射性物质能有效地包容起来不发生泄漏。一方面世界核工业提高了对核反应堆操作人员的培训标准，并增加了国家间核反应堆问题对话。如瑞士保罗谢勒研究所（Paul Scherrer Institute，简称PSI）建立的重大事故数据库，该数据库包括从1969年开始的世界18000起重大事故，其中有35%是能源事故，有3000起事故被认定为特重大事故（死亡人数在5个以上）。下图为1969-2000年OECD国家能源事故曲线图。

图4 1969-2000年OECD国家能源事故曲线图

从上图可见，OECD国家在这段时间只发生过一起水电事故，造成14人死亡，并且没有发生任何核电事故。上图“Nuclear PSA”表示瑞士某核电站可能发生的安全隐患模拟，并非真实数据。其他煤、油、天然气、液化石油气、水等能源事故均为真实数据。这些数据表明，在OECD国家，水和核是最安全的能源。这一说法或许会遭到众多人的质疑，但是毕竟造成人员伤亡最多的是石油（1987年菲律宾，3000人死亡；1982年阿富汗，2700人死亡）、水电（1980年印度，1100人死亡）、天然气（1989年俄罗斯，600人死亡）。如果考虑核电对人类的潜在危险，那么化石能源造成的空气污染也是致命的。

四、新建核反应堆
核电是许多国家发展能源的首选。图5为世界各国准备新建核电厂情况，其中“计划”表示已经通过决议，并且资金已经到位的核电厂项目；“提案”表示已经有明确建造意向，但还没有通过决议，未明确资金来源的核电厂项目。

这些反应堆的增加主要来自中国、印度、俄罗斯、日本、韩国、南非、乌克兰和美国。到2020年，仅中国、印度和俄罗斯就计划分别增加核电装机容量40 GW、46 GW和22 GW。日本和韩国也增加了核电装机容量，2015年，日本核电装机容量将增加9 GW，2017年，韩国核电装机容量将增加12 GW。乌克兰政府预计到2030年增加16 GW的核电装机容量。

五、未来技术选择
未来核电将为全球提供更多的电力资源。但是许多现有反应堆都是1000MW到1700MW的大型反应堆，并不适合发展中国家，因此出现了60种不同的小、中堆型设计方案。这些中、小堆型到2010～2030年会得到商业化运行。这种发展趋势有如下优势：
1．中、小型核电厂可减少基金投入，缩短建设工期，这一点对于资金匮乏的发展中国家来说尤其重要。
2．中、小型核电厂灵活性好，能够更好地适应不断变化的电力需求。
3．对于核电经验不成熟的国家，中、小型核电厂更容易操控，并且能够将核电厂选址在距离城市较近的地区，节省长距离运输的费用。
作为未来核电发展的主要方向，中、小型核电厂发展重点是压水堆，如韩国的SMART压水堆和西屋公司的IRIS压水堆，PBMR（球床模块高温气冷堆）也是未来中、小型核电厂发展方向之一，如南非正在建设的PBMR，气体温度可达到900度，可直接连接燃气轮机。

六、核能的其他用途
1．交通。从短期来看，混合动力车是市场发展趋势，但是从长远来看，氢动力车将是市场发展的主流。核能能够以热解的方式分解出氢，到2020年这种方式将实现商业化。目前，许多国家开始对核分离氢的问题重视起来，美国是在这方面投入最多的国家。
2．海水淡化。据预测，世界有1/5的人口没有安全的饮用水（GTZ，2001）。在这些地区，已有水源不能直接饮用，这就需要海水淡化技术。目前，许多海水淡化工程使用的都是化石能源，全世界12500个海水淡化处理厂的日处理能力已经达到了3000万立方米，这些海水淡化处理厂有一半是在中东，最大的处理厂日处理能力45.4万立方米 。将核能用到海水淡化早已被证实是一种可行的技术方法（IAEA，1997）。IAEA已经发动了近20个国家对此课题进行研发，法国和利比亚已签署合作协议，并计划在利比亚建造一座核电海水淡化处理厂。
3．供暖。利用核能进行供暖是一种已经被广泛使用的安全、成熟的技术，俄罗斯对该技术的使用比较多。目前，对于核能供暖全世界有500个反应堆年的运行经验，并且没有发生过相关核事故。

七、展望
未来几十年，水冷堆将是世界主流反应堆堆型。2010～2020年，发展中国家核电装机容量将大大增加，这些新增加的核反应堆主要是水冷堆，包括属于第三代技术的轻水堆核电站，如西屋的AP1000，GE的ESBWR（经济简化型沸水堆）和ABWR（先进型沸水堆），AREVA的EPR（欧洲压水反应堆），三菱重工的APWR（先进型压水堆）。这些新增加的反应堆比目前运行的二代压水堆更安全，能效更高。目前，日本已有4台ABWR投入运行；芬兰正在Olkiluoto建造1600MW的EPR核电厂，且计划在法国建造第二台。
此外，气冷堆也是未来世界核电发展的一个方向。与水冷对相比，气冷堆的安全性和效率都要更高一些，目前已有国家开始了三代加气冷堆的研究。南非计划建成一台PBMR，到2015年实现商业化运行。总之，反应堆研发设计是一项持久战，还有待进一步发展，但发展过程耗资巨大，世界各国可互通有无，通过国际合作降低研发费用。

（摘编自IEA《ENERGY TECHNOLOGY PERSPECTIVES》）