中美核電技術(shù)

1、閑談核電技術(shù)未來何奎謝菲爾德大學(xué)機(jī)械工程系最近國際上發(fā)生幾件大事，歐元急劇貶值，中國足球隊(duì)表現(xiàn)出要沖出亞洲的樣子，等等，讓人 應(yīng)接不暇。然而最大的變化，作為井底之蛙的人類，是看不到的。那就是極端氣候已經(jīng)嚴(yán)重影 響到人們的生活，迫使以前不愿意承擔(dān)減排任務(wù)的美國開始考慮付出更多的努力來減排。核能 顯然是一種重要的減排手段，這是奧巴馬2011喊出復(fù)興核能的根源。然而，日本福島核事故 給他潑了瓢冷水。時(shí)至今日，不僅美國，還包括其它有核電國家都被該事故所拖累。公眾談核 色變，核電計(jì)劃無法繼續(xù)推進(jìn)。這種狀況主要是由于公眾對核電了解不深引起的。大家都有個(gè) 常識，當(dāng)你不認(rèn)識一個(gè)人或事物時(shí)，就會(huì)有緊張感。關(guān)于核

2、電公眾認(rèn)識還是太粗淺。認(rèn)為核電 出事后就會(huì)死很多人，但實(shí)際上人類最嚴(yán)重的一次核電事故，切爾諾貝利核電事故，因?yàn)楹穗?輻射死亡的人數(shù)只有7000人，死這么多人歸根結(jié)底還是由于前蘇聯(lián)政府封鎖消息，想憑大國 一己之力撲滅這場災(zāi)難，反觀同樣是嚴(yán)重核事故的三里島事件，并沒有造成任何人員傷亡。需 要糾正大家的一個(gè)偏見是核事故不同與核爆炸，它的發(fā)生是緩慢的，在事故擴(kuò)散之前，專業(yè)人 員完全有能力爭取時(shí)間，讓大家離開受影響的區(qū)域，日本福島事故就是很好的例子。核電讓人 恐慌首要原因是其輻射影響是深遠(yuǎn)的，不僅影響當(dāng)代人，也會(huì)影響下一代人。由輻射引起的疾 病是廣泛的，可怕的，不可治愈的。然而人類從來就不會(huì)因?yàn)榻?jīng)歷了一

3、場災(zāi)難而停止發(fā)展的腳 步，要不然就不會(huì)有今天的飛機(jī)，火車和輪船。每天都有關(guān)于上述交通工具的事故，但是人們 似乎從來不認(rèn)為這些東西應(yīng)該停止發(fā)展。核電之所以有人反對，最根本的原因還是有其他替代 能源可以用。如果別無選擇人類只好背水一戰(zhàn)。公眾不了解的是，現(xiàn)在的核電技術(shù)還是上個(gè)世紀(jì)50-60年美蘇爭霸時(shí)期兩國競爭的產(chǎn)物?，F(xiàn)今 的幾個(gè)主要反應(yīng)堆堆型，如輕水堆，金屬熔融鹽堆等都是這個(gè)時(shí)期提出的。蘇聯(lián)解體以后，美 國失去了最重要的競爭對手，因此關(guān)于核技術(shù)的研究經(jīng)費(fèi)大量被削減，幾個(gè)商業(yè)公司只從當(dāng)時(shí) 所提出的幾個(gè)堆型里挑出一些相對技術(shù)成熟的堆型，如輕水堆，進(jìn)行應(yīng)用推廣。在漫長的近 40年里核電技術(shù)進(jìn)步緩慢。即使

4、是這樣，今天核電也發(fā)展到了第三代，安全性也前所未有地 提高，已對造成核事故最多原因的-人的因素進(jìn)行最大防范。公眾還沒有意識到的是，對于別的國家，面對核電，他們還可以有選擇，但是對一個(gè)有13億 人口的國家，我們無法對核電說不。如果13億人都過上現(xiàn)代化的生活，多建火力發(fā)電廠，我們 就會(huì)失去藍(lán)天，新鮮空氣，多建水壩，我們已經(jīng)沒有那么多河流，多建風(fēng)電，太陽能，我們還 沒有富到用的起。作為一個(gè)人口如此眾多的國家，發(fā)展高能量密度的核電廠，是解決減少污染 排放的不二法門。最近，作為全球核電技術(shù)最強(qiáng)的國家，美國也覺得不該躺在過去的功勞簿上，應(yīng)該大規(guī)模改進(jìn) 核電技術(shù)，克服其現(xiàn)有的弱點(diǎn)。美國做出這樣的反應(yīng)最根本的

5、原因在于它感受到來自中國的威 脅。如今公眾不知道的是，中國對幾乎所有第四代反應(yīng)堆堆型進(jìn)行全面的基礎(chǔ)研究開發(fā)。這些 堆型最初是由美，英，法于2000年提出的，包括，超臨界水冷堆（本人研究的方向），超高 溫氣冷堆，氣冷快堆，金屬熔融鹽堆，鈉冷快堆，鉛冷快堆。現(xiàn)在中國已經(jīng)在超臨界水冷堆和 高溫氣冷堆取得了一定進(jìn)展，其中高溫氣冷商業(yè)示范堆已經(jīng)開始在山東石島灣建設(shè)。中國進(jìn)步如此之快，無不與我們的舉國體制，和巨大的商業(yè)需求推動(dòng)有關(guān)。今年開年，中國國 家主席習(xí)近平就我國核工業(yè)創(chuàng)建60周年作出重要指示，鼓勵(lì)在安全的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展核電。山雨欲來風(fēng)滿樓，核電在減速4年后就要迎來加速發(fā)展期。然而，中國核電同行們還任

6、重而道 遠(yuǎn)。拋開技術(shù)進(jìn)步不說，對公眾進(jìn)行核電知識的宣傳已經(jīng)落后于發(fā)達(dá)國家，當(dāng)然這與中國國情 是政府強(qiáng)勢而民眾弱勢有關(guān)。但是民眾的自我保護(hù)意識正漸漸增強(qiáng)，已經(jīng)到了影響核電建設(shè)的 程度。2012年，國家計(jì)劃在江西彭澤縣建設(shè)核電站，而遭到上游望江縣反對就是個(gè)例子。本文將對中美核電技術(shù)做綜合比較，懿旨讓公眾知道未來核電發(fā)展的方向，增強(qiáng)公眾對核電的 信心。另外一個(gè)原因，在于本人發(fā)現(xiàn)，中美的核電技術(shù)發(fā)展思路已經(jīng)有分化，而美國的設(shè)計(jì)理 念的改變是發(fā)人深思的。眾所周知，美國是一個(gè)高度市場化的國家，這種市場化體現(xiàn)在私人引領(lǐng)的技術(shù)進(jìn)步所占的比重 很大。私人引領(lǐng)的技術(shù)進(jìn)步往往是高度盈利的，其相關(guān)項(xiàng)目的特點(diǎn)是研發(fā)周期

7、不是太長，投入 不是太大。這就是美國政府減少對核電的研究開發(fā)以后，美國核電技術(shù)就沒有什么革命性突破 的原因。在有更高盈利項(xiàng)目的時(shí)期，私人資本是不會(huì)進(jìn)入研發(fā)周期長，投入大，具有高度風(fēng)險(xiǎn) 的核電技術(shù)開發(fā)。然而核電發(fā)展的思路改變以后，就會(huì)改變這種局面。私人資本無法投資大型 核能發(fā)電的開發(fā)實(shí)驗(yàn)，但是他們有能力投資小型的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆。而這正是反應(yīng)堆未來發(fā)展的一 個(gè)方向，即反應(yīng)堆不是向大的方向發(fā)展而是向小的方向發(fā)展?，F(xiàn)在反應(yīng)堆越做越大主要是為了 提高經(jīng)濟(jì)性，但是也帶來了建設(shè)周期長，發(fā)生事故就危害大，波及范圍廣的問題。所謂小型反 應(yīng)堆，就是指發(fā)電功率300兆瓦以下，壓力容器直徑5米以下，相比單堆功率1000兆

8、瓦的大 型反應(yīng)堆，體型堪比迷你。但是經(jīng)過計(jì)算，這種反應(yīng)堆單堆發(fā)電也可供美國45000個(gè)家庭使 用。為此，美國政府已經(jīng)投入4億5千萬美元進(jìn)行相關(guān)研究，這還不是重點(diǎn)，重點(diǎn)是一些私人 企業(yè)，如比爾蓋茨基金會(huì)，Babcock & Wilcox公司，已經(jīng)進(jìn)入小型堆商業(yè)開發(fā)。美國歷史經(jīng)驗(yàn) 表明，私人公司加入某個(gè)行業(yè)，這個(gè)行業(yè)就離突破性進(jìn)展不遠(yuǎn)了，因?yàn)樗饺说馁Y本往往比政府 資本嗅覺更靈敏，也講求效率。為了讓公眾對未來該發(fā)展方向有所了解，現(xiàn)對小型反應(yīng)堆進(jìn)行 簡要介紹。小型反應(yīng)堆具有以下特點(diǎn)：可以模塊化設(shè)計(jì)制造。只要將工廠生產(chǎn)的幾個(gè)模塊拼接在一起就可以形成一個(gè)發(fā)電廠，這使 得電站建設(shè)速度可以很快。由于體型小還可

9、以將反應(yīng)堆放入地下，以減少地震海嘯對反應(yīng)堆的 影響。冷卻系統(tǒng)是被動(dòng)的。可以利用冷卻劑的自然循環(huán)來冷卻堆芯。而且冷卻劑偏向使用氣體和融 融的固體，這也進(jìn)一步減少了如福島事故時(shí)水分解產(chǎn)生氫氣，然后爆炸的可能。裝料少。這就意味著即使反應(yīng)堆發(fā)生泄漏，其影響也非常有限。經(jīng)濟(jì)性的問題可以通過建設(shè)小反應(yīng)堆集群的方式來解決。單堆功率雖小，但是可以通過多堆 并網(wǎng)發(fā)電的方式提高經(jīng)濟(jì)性，每個(gè)堆都是獨(dú)立的，即使一個(gè)產(chǎn)生問題，可以立刻用卡車?yán)咛?理，補(bǔ)充新堆，對電站沒有什么影響。任何現(xiàn)有堆型都可以小型化。這就決定小型堆往往可以采用最先進(jìn)的堆型設(shè)計(jì)，因?yàn)楹芏嘞?進(jìn)堆的實(shí)驗(yàn)堆型就是小型化的。一些先進(jìn)快堆設(shè)計(jì)可以使用傳統(tǒng)核

10、電站產(chǎn)生的核廢料作為原料， 從而處理了核廢料堆積的問題?，F(xiàn)階段正在開發(fā)的小型模塊化反應(yīng)堆主要有：西屋公司小型化AP1000堆型。該堆型完全采用AP1000的技術(shù)，但是單堆功率從標(biāo)準(zhǔn)的 1200兆瓦下降到225兆瓦。冷卻方法為自然循環(huán)水冷。反應(yīng)容器大小為高27m，直徑9.8m. 一 個(gè)發(fā)電廠占地面積從50英畝減小到15英畝，建設(shè)周期從幾年下降到18個(gè)月。每2年需要更 換反應(yīng)原料。mPower堆型。Babcock和wilcox基于核潛艇和航母用反應(yīng)堆技術(shù)，提出了一種自然水冷單 堆功率160兆瓦的堆型。其大小為高23m，直徑4.3m，冷卻系統(tǒng)，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)集成在一個(gè) 容器內(nèi)，可以使用鐵路和輪船運(yùn)輸。

11、燃料更換周期4年。Nuscale堆型。自然水冷，單堆功率非常小，只有50兆瓦，但是這個(gè)堆型設(shè)計(jì)理念的核心是 采用12堆堆群建設(shè)，使電廠總功率達(dá)到600兆瓦。通用公司GT-MHR堆型。高溫氣冷，單堆功率285兆瓦。該堆型最初設(shè)計(jì)用來處理前蘇聯(lián)核 彈頭中的核材料，該堆特點(diǎn)是可以燃燒武器級的钚。Hyperiono單堆功率只有25兆瓦。反應(yīng)堆體也縮小到高2.5m，直徑1.5m。換料時(shí)間10年， 因此，該設(shè)計(jì)適合一些遠(yuǎn)離電廠的煉油廠。Prism。通用東芝聯(lián)合設(shè)計(jì)的鈉冷快堆。6年換料，單堆功率311兆瓦。這一快堆設(shè)計(jì)一大 優(yōu)勢是可以燃燒核廢料。熔融鹽反應(yīng)堆。由于釷資源比鈾資源更豐富，所以該設(shè)計(jì)能部分解決原料來源問題。Flibe。該堆型是應(yīng)美國軍方的要求設(shè)計(jì)，要求反應(yīng)堆可以裝進(jìn)集裝箱，方便運(yùn)輸?shù)揭恍┸娛?基地，提供發(fā)電服務(wù)。要求使用鈾233和釷作為燃料。這2種核材料都不