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核能經濟學:最新研究進展 (八)(ZT)

作者:何岸泉  於 2012-9-14 06:24 發表於 最熱鬧的華人社交網路--貝殼村

作者分類:反核系列|通用分類:網路文摘

(八)

附錄

附錄1 核反應堆技術,現有設計方案和供應商

核反應堆技術

核反應堆可以根據使用的冷卻劑和減速劑大致分為幾類。冷卻劑是指將熱能從核反應堆堆芯傳送到渦輪發電機的流體(氣體或液體)。減速劑是一種能降低中子速度的媒介,能使中子在堆芯中保留足夠長的時間,從而使核鏈式反應能夠持續進行。冷卻劑和減速劑可以有多種組合,但在目前正在使用或出售的核反應堆中,共涉及四種冷卻劑和三種減速劑。

最常見的核電站反應堆類型是輕水反應堆(light-water reactorLWR), 它有兩個變種:壓水反應(pressurised water reactorPWR) 和沸水反應堆boiling water reactorBWR)。這類反應堆的設計原理來自核潛艇的推進裝置,它使用普通的水(「輕水」)作為冷卻劑和減速劑。普通水的優點是便宜,但它不是最有效的減速劑(普通水分子會吸收一部分中子,而不是將其「反彈」)。因此, 鈾的放射性同位素比例必須從0.7% 左右(天然鈾的含量)提高到3%以上,而該過程的成本較高。

作為冷卻劑,普通水的缺點是它以液體的形式工作。如果冷卻迴路發生損壞,那麼水會立即沸騰,進而失去冷卻效果。因此,如何避免「冷卻劑喪失事故」(loss of coolant accident)是這種反應堆設計的首要考慮問題。壓水反應堆和沸水反應堆的主要區別是,在沸水反應堆里,作為冷卻劑的水是可以沸騰的,其產生的水蒸氣直接進入渦輪發電機迴路,推動渦輪轉動發電。而在壓水反應堆里,通過施加壓力使作為冷卻劑的水保持液體形式。壓水反應堆引入了一個熱交換器(蒸汽發生器),將能量傳導至次級迴路,在這個次級迴路中,水可以沸騰進而推動渦輪轉動發電。因此,沸水反應堆的設計比壓水反應堆簡單,但由於在沸水反應堆中,作為冷卻劑的水直接進入渦輪發電機,其放射性污染更加嚴重。大多數俄羅斯設計的核電反應堆——水動力反應堆(WWER)本質上都是壓水反應堆。英國只有一台運營中的壓水反應堆—— 西澤韋爾 BSizewell B),沒有沸水反應堆。

有些核電站使用「重水」作為冷卻劑和減速劑,最常見的就是加拿大設計的加拿大重水鈾反應堆(Candu)。在重水中,氫的同位素氘替代了最常見的同位素氕。重水是一種更有效的減速劑,因此加拿大重水鈾反應堆可以直接使用天然(未濃縮)鈾。但是,生產重水的成本較高,這抵消了以重水作為冷卻劑所增加的效率。目前,業界正在考慮一種新的加拿大重水鈾反應堆設計,這種反應堆將使用輕水作為冷卻劑,重水作為減速劑,但是目前仍在籌劃階段。

除西澤韋爾 B 之外,英國所有核電站都用二氧化碳氣體作為冷卻劑,用石墨作為減速劑。第一代核電站——鎂諾克斯核電站使用天然鈾,但由於作為冷卻劑的二氧化碳遇水會產生弱酸性進而腐蝕管道,因此,大部分第一代核電站都沒能按照設計方案長期運營下去。第二代核電站使用了濃縮鈾和抗腐蝕材料。與水相比,石墨作為減速劑的效率更高,但卻更加昂貴。其主要缺點是暴露在放射線下易燃且易破裂變形。切爾諾貝利使用的石墨慢化沸水反應堆(RBMK)設計也是用石墨作為減速劑,但使用了輕水作為冷卻劑。

業界一直對使用氦氣做冷卻劑、石墨作為減速劑的核反應堆有著強烈的興趣,這種核反應堆就是所謂的高溫氣冷反應堆(high temperature gas-cooled reactorHTGR)。雖然價格昂貴,但由於完全惰性,氦氣是一種高效的冷卻劑。與使用輕水或二氧化碳作為冷卻劑相比,使用氦氣和石墨的核反應堆可以在更高溫度下運行。這樣,核反應堆可以把更多的熱量轉化成電能,同時,也為核反應堆在發電的同時向某些工業過程提供熱量的想法開啟了思路。但是,儘管世界上包括英國(從50 多年前就開始)在內的幾個國家對這種核反應堆開展了研究,但至今仍未開發出商用設計,其試點核電站的業績也十分不理想。

業內也討論過第四代核反應堆的設計思路。美國能源部將改良式第三代核反應堆描述為「進化的(evolutionary)」核反應堆,而第四代反應堆則具有革命性的(revolutionary)進步。業內人士認為,第四代核反應堆「更安全、可持續、經濟實惠、更能防止核擴散」。第四代核反應堆設計與現有設計的主要區別是,它能更加充分地使用天然鈾。例如,第四代核反應堆的「增殖循環」過程,使得現有反應堆無法利用的天然鈾的99.3% 能直接使用。與現有反應堆相比,這種反應堆能在更高溫度下運行,而且還有其他功能,例如生產氫氣。目前,共有六種核反應堆技術被普遍看好,它們是:

--氣冷型快速反應堆

--鉛冷型快速反應堆

--熔鹽反應堆

--鈉冷型快速反應堆

--超臨界水冷反應堆

--極高溫氣冷反應堆

上述六種技術中,只有鈉冷型快速反應堆和極高溫氣冷反應堆在核電站運行上得到了較好的發展。然而,這兩種技術也都有各自的問題。鈉冷型快速反應堆始於上世紀60 年代,當時,各國都開始了鈉冷型快增殖反應堆的開發項目,但事實證明,這種核反應堆不但價格昂貴,而且穩定性較差。因此,目前只有少有國家繼續研究這項技術。同上,很多國家從上世紀60 年代開始也開發極高溫氣冷反應堆,但結果也是無法商業化。因此,現在大多數國家都不再積極開發這項技術了。

這些技術是否能商業化還有待考察,但是其擁護者也承認,2030 年之前這些技術都不會成為商業選擇。所以,這些技術與選擇現有反應堆建設方案無關。

現有的設計方案和供應商

未來十年西方國家最可能訂購的設計方案是所謂的改良式第三代核反應堆Generation III+)。第一代設計方案以20 世紀50 60 年代的第一批反應堆訂單為代表;第二代設計方案以大多數正在運營的反應堆為代表,包括20 世紀60 年代末到80 年代初的訂單;第三代則以20 世紀80 年代初到2000 年左右的核反應堆訂單為代表。在設計之初,第三代反應堆就吸取了三哩島事故的經驗教訓。改良式第三代核反應堆設計於切爾諾貝利核災難之後,它與第三代核反應堆的主要區別是,改良式第三代核反應堆的「被動」安全性(而不是工程安全性)更高。例如,改良式第三代核反應堆對人為設計的緊急冷卻系統依賴較少,而更多的是依賴自然過程,如熱對流過程。「9.11」事件引發了進一步改良反應堆設計的考慮,現在,任何新型核反應堆都必須具備抵抗商用飛機撞擊的能力。

當前,雖然核反應堆設計方案大量湧現但很多設計方案並沒有取得實質性的進步,而且方案本身尚未取得監管部門的認可,訂購前景也頗為堪憂。目前,沒有明確的標準能將現有各種反應堆設計方法歸為第幾代,但改良式第三代核反應堆除了是最近15 年的設計之外,還有以下主要特點:

--為加速審批進行了標準化方案設計,並能夠降低成本,縮短建造時間;

--擁有更簡單、更粗放的設計方案,方便操作者使用,且更不易發生操作事故;

--擁有更好的普及性、使用壽命更長(通常是60 年);

--反應堆核心熔化事故的發生率較低;

--對環境的影響極小;

--燃燒率更高,從而降低核燃料消耗,同時減少核廢料的產生;

--使用可燃中子吸收器(「抑製劑」),從而延長核燃料的使用壽命。

很明顯,上述所歸納的特徵並不是很精確,不能用以區分改良式第三代核反應堆和之前幾代設計(除非某種核反應堆是從已有的反應堆改良而來的)。下面主要介紹目前訂購中的或正在審核中的核反應堆設計方案。

壓水反應堆(PWR

目前, 全世界共有四家壓水反應堆技術的獨立供應商: 西屋電氣公司(Westinghouse)、美國燃燒工程公司(Combustion Engineering)、巴布科克威爾科克斯公司(Babcock & Wilcox, B&W)、俄羅斯供應商俄羅斯原子能公司(Rosatom)。

西屋電氣(Westinghouse

西屋電氣的核反應堆技術是目前最為廣泛使用的PWR 技術,同時也是技術授權最為廣泛的核反應堆技術,其中主要被授權公司包括:法國阿海琺公司(原Framatome 公司,2001 年更名)、西門子公司(德國)和三菱公司(日本)。西屋電氣的核反應堆在全世界範圍內銷售,2008 年西屋電氣在中國獲得四座核反應堆的訂單,然而在此之前的25 年中,西屋電氣只接到過一份訂單(西澤韋爾B)。該公司在美國的最後一份訂單(訂單沒有隨後撤銷的)要追溯到三十多年前

了。1998 年,英國核燃料公司收購了西屋電氣公司的核能部門,但2006 年又將其賣給了日本東芝公司。目前,西屋電氣的主要設計為AP1000 型核反應堆,但是只獲得了中國的四個訂單。

AP1000 核反應堆(高級被動式)是從AP-600 發展而來的。AP-600 基本原理是增加反應堆的被動安全性,但其規模經濟效益(建造產能更大而不是數量更多的機組)被高估了。一位西屋電氣公司的主管表示「規模經濟不再可行了」94,以此來論證應該選擇建造6 億瓦而不是1013 億瓦的核反應堆。1999 年,AP-600通過了美國監管流程並獲得了運營執照。但直到這時,人們才清楚地認識到,這種設計其實並不經濟實惠,因此核電站運營商從未訂購過AP-600。之後,西屋電氣又將AP-600 的產能擴大到11.5 億瓦,希望通過規模經濟增強其市場競爭力。2004 9 月,核管理委員會為西屋電氣的AP1000 型核反應堆頒發了最終方案審批合格證書,有效期為5 年。2006 年,核管理委員會頒發了一個標準的設計認證證書,有效期為15 年。然而,西屋電氣隨後提交的進一步設計方案修訂稿最早要到2011 年才能通過審核。目前,有很多設計方案都在核設施監察局(NII)的通用設計評估(Generic Design AssessmentGDA)項目下進行審查,AP1000 就是其中之一,預計審查工作將在2011 年中期完成,但與EPR 一樣,AP1000 能否通過審批,無法保證。

阿海琺(Areva

法馬通公司(Framatome) 和西門子公司在從西屋電氣獨立出來后,於2000年合併了各自的核業務部門。在新的合資公司中,法馬通和西門子分別占66% 34% 的股份。目前,法馬通為阿海琺集團旗下子公司,而阿海琺集團90% 以上的股份由法國政府所擁有。2001 年,法馬通更名為阿海琺核能(Areva NP)。2009 年,西門子公司表示有意從合資公司中撤股,但到2009 年末,撤股細節仍在商定中。法國所有壓水反應堆(共58組)都是由法馬通公司提供的,其產品還遠銷南非、韓國、中國和比利時。德國的11 座壓水反應堆中,有10 座是由西門子公司所提供的,而後者的產品還出口至荷蘭、瑞士和巴西。

阿海琺核能的歐式壓水反應堆

European Pressurised water Reactor.EPR)是唯一一種具有豐富建造經驗的改良式第三代壓水反應堆。2005 2 月,奧爾基洛托的EPR 建設工程獲得了芬蘭政府頒發的建設執照,2005 年夏開始動工。2007 年,法國弗拉芒維勒核電站的EPR建設工程開工。中國也訂購了兩組EPR,但截至2009 年末並未進行實際的建設。EPR 設計方案分別於2004 9 月和20052 月通過了法國和荷蘭監管部門的框架安全審批,但是這種設計很多細節還有待最後敲定,下文會詳細討論。阿海琺與聯合能源公司合作,要求美國核管理委員會在核能2010 規劃下開始對EPR 設計方案進行審核和許可。最終的批准結果至少要到2012 年才能出台。英國安全監管部門——核設施監察局,正在對2007 GDA 項目下的EPR 方案進行審核。核設施監察局預計審核工作將於2011 年中期結束,但這並不意味著該設計一定能通過審核。對於美國市場來說,EPR 是進化動力反應堆(Evolutionary Power Reactor)的縮寫。

奧爾基洛托(芬蘭)EPR 的產能為1600 兆瓦,但奧爾基洛托之後的EPR 訂單產能都提高到了1700 兆瓦。這款設計是從法馬通公司N4 設計方案發展而來的,同時也綜合了西門子公司Konvoi 設計方案的某些特徵。這種新設計方案縮短了燃料重填的時間,從而使其負荷因子95 高達90% 左右。

三菱集團

三菱公司共為日本提供了22 組壓水反應堆,但它從未試圖進入國際市場,直到2010 年才將其PWR 技術提交給美國核能2010 項目進行審核。一家美國電力公司計劃建造一座改良式壓水反應堆(Advance PWR,簡稱APWR,壓水反應堆的最現代設計)。1980 年左右,三菱公司與其技術提供商西屋電氣公司開始研發改良式壓水反應堆,但這種核反應堆的第一批訂單一直遲遲未到。在近10 年內,業界一直預期敦賀(日本)核電站將在訂購一座APWR,但到2009 年末,該核電站仍未下建設訂單。目前,核管理委員會正在審核APWR 的一款改良設計方案,而美國的一家電力公司,TXU,計劃訂購這種核反應堆。核設施監察局預計對APWR 的審查不會在2012 年之前完成。

美國燃燒工程公司(Combustion Engineering

美國燃燒工程公司生產的自主設計的壓水反應堆,在美國已經投產。在國際市場上,韓國審核通過了這款設計方案。1996 年,美國燃燒工程公司的核部門被ABB 集團收購,隨後1999 年又被英國核燃料公司接管。現在,它已併入西屋電氣核部門,於2006 年作為西屋電氣核部門的一部分被賣給東芝公司。

1997 年,美國燃燒工程公司的改良式80 系統(System 80+)設計方案通過了美國監管部門的審核。西屋電氣不打算出售這一設計方案。然而,韓國供應商斗山(Doosan)在西屋電氣的准許下利用這款設計開發了APR-1400 設計方案。2008 年,韓國訂購了這種APR-1400 核反應堆。2005 年韓國用這一設計方案參加中國的核電站招標,但是失敗了。200912 月,韓國競標成功,獲得了阿聯酋4座核反應堆的建設權。現在,韓國正計劃向土耳其出售這款核反應堆。

巴布科克• 威爾科克斯公司 (Babcock & Wilcox

巴布科克·威爾(Babcock&Wilcox)曾為美國供應其自主設計的壓水反應堆,但由於三哩島事故的影響,B&W 公司的技術也被牽涉,因此該公司喪失了其在核反應堆銷售領域的地位。在美國之外的國際市場上,B&W 公司只為德國供應過一座核電站,於1986 年完工,但隨後不久就由於安全審批問題於1988 年關閉,且永不重啟。

俄羅斯原子能公司(Rosatom/Atom Stroy Export

俄羅斯核技術的出口是通過俄羅斯原子能公司(Rosatom)的子公司Atom Stroy ExportASE) 完成的。2009 年,西門子與俄羅斯原子能公司協商,成立合資公司出售俄羅斯核技術。俄羅斯的最新的核反應堆設計方案是AES-2006/WWER-1200, 產能1200 兆瓦,2006 年起出售。俄羅斯的兩座核電站,列寧格勒(Leningrad) 和新沃羅涅日(Novovoronezh)核電站分別訂購了一組AES-2006/WWER-1200 機組。2008 年,俄羅斯原子能公司在競標中勝出,為土耳其核電站提供核反應堆,不過該公司為唯一競標者,而且由於價格較高,該項目的合約於2009 年被取消。目前芬蘭和印度正在考慮使用這種核反應堆設計方案。

沸水反應堆(BWR

美國通用電氣公司(General ElectricGE)是沸水反應堆的主要設計者,該公司已向美國和其他國家(如德國、日本、瑞士、西班牙和墨西哥)供應了大量沸水反應堆。沸水反應堆的技術使用者包括AEG(后被西門子收購)、日立和東芝。雖然西門子核部門(現已併入阿海琺核能)參加奧爾基洛托核電站競標時推出了SWR 設計方案,但這種核反應堆離商業化生產還有一段距離。

通用- 日立和東芝

通用電氣在日本的技術許可使用方一直在為日本供應沸水反應堆。在日本,共32 座沸水反應堆正在運營或在建。日本一些新型核電站由通用電氣公司供應,剩餘的則由日立和東芝公司瓜分。目前,在日本,日立、東芝和美國通用電氣公司正在聯合開發改良式沸水反應堆(Advanced Boiling Water ReactorABWR)。1992年,日本訂購了首批共兩組ABWR,其建造工程分別於1996 年和1997 年完工。到2009 年末, 日本共有4 ABWR 在運營中、1 組在建, 另外, 台灣也有2 ABWR 正在建造中。ABWR 1997 年通過了美國監管部門的審批,但這項審批將於2012 年過期。目前,通用電氣- 日立核能聯合公司和東芝公司(獨立運營)仍在供應ABWR,這兩家公司都要向核管理委員會提交設計改良方案,來重新獲取安全認證。現在還不清楚,核管理委員會對設計改變的要求,以及重新認證需要多長時間。不可避免的是,與之前的設計相比,新設計必須採用更加昂貴的保護方案,以抵抗大型飛機的空襲。現在ABWR 應該歸入第三代核反應堆,但如果其新設計獲得了核管理委員會的重新認證,那麼其改良版就應該歸入改良式第三代核反應堆了。NRG 電力公司計劃在美國核能2010計劃框架下建造改良式沸水反應堆。

經濟簡化型沸水反應堆(Economic & Simplified BWRESBWR) 由通用電氣公司開發,產能為1500 兆瓦。2005 10 月,通用電氣- 日立核能聯合公司向核管理委員會提出申請,對經濟簡化型沸水反應堆進行安全審核。這種經濟簡化型沸水反應堆是在通用電氣公司的簡化沸水反應堆(Simplified Boiling Water ReactorSBWR)和改良式沸水反應堆的基礎上發展起來的。20 世紀90 年代,簡化沸水反應堆開始了其安全審核過程,但在審核過程結束前就被撤回了,並且沒有獲得任何訂單。很多美國電力公司都選擇了這一設計用於核能2010 計劃,儘管核管理委員會預計不會在2011 年之前完成對經濟簡化型沸水反應堆的審核工作。經濟簡化型沸水反應堆參與了英國2007GDA 審核項目, 但2008 年就被撤回了。在核能2010 計劃下,共有6 家電力公司曾計劃建造經濟簡化型沸水反應堆,但其中一家轉向了ABWR,另一家似乎已經放棄了該項目。而且,目前,業界對另外四家的核電站項目的可靠性也保持著懷疑態度。美國之外的其他國家似乎對經濟簡化型沸水反應堆並不感興趣,因此,該設計方案可能會被放棄。

其他沸水反應堆

瑞典原子通用公司(Asea Atom)生產其自主設計的沸水反應堆。截止到現在為止,該公司共為瑞典供應了九座沸水反應堆,同時為芬蘭供應了兩座。Asea Atom Brown Boveri 合併成立了ABB公司,后在1999 年被英國核燃料公司收

購,之後又於2006 年作為西屋電氣公司的一部分被東芝公司收購。西屋電氣公司Asea BWR 設計方案的基礎上開發了BWR-90+,產能1500 兆瓦。目前已經立案,但開發工作尚無進展。

加拿大重水鈾反應堆(Candu

加拿大原子能有限公司(AECL)是重水核反應堆的主要供應商,該公司共建造了20 多座核反應堆,客戶包括加拿大各個電力公司以及阿根廷、羅馬尼亞、韓國和中國的電力公司。加拿大原子能有限公司也曾向印度出售核反應堆,但由於核擴散問題,1975 年之後與印度斷絕來往,不過印度繼續使用那款至今已有四十年歷史的核反應堆設計方案建造核電站。阿根廷共建造了三座重水核反應堆,其中一座是加拿大重水鈾反應堆,另外兩座使用了一種德國設計方案(其中一座至今尚未完工,目前處於停工狀態)。

加拿大原子能有限公司未來主要設計方向將是改進式加拿大重水鈾反應堆(Advanced Candu Reactor, ACR),預計有750 兆瓦(ACR-700) 和11001200 兆瓦(ACR-1000) 兩種規模。之前的加拿大重水鈾反應堆設計用重水作為冷卻劑和減速劑,但這種新設計使用輕水作為冷卻劑,用重水作為減速劑。目ACR-700 正在接受核管理委員會的審核,由美國電力公司多明尼提供贊助,但2005 1 月多明尼撤銷資助,而選擇了通用電氣的經濟簡化型沸水反應堆設計方案。多明尼公司給出的理由是,美國缺乏加拿大重水鈾反應堆技術的實際經驗,核管理委員會可能需要至少5 年的時間才能完成該技術審批工作。隨後,業界似乎又放棄了ACR-700,而選擇了ACR-1000。如果電力公司招標選取這種規模的核反應堆,那麼具有30 年歷史的Candu-6 設計方案的改良版很可能會參與競標。ACR-1000 參與了安大略省的核電建設招標,但其提出的價格過高。2007 年,該設計也參與了英國的GDA 項目,但隨後不久就被撤回了。現在,有人提議將加拿大重水鈾反應堆的國有供應商即加拿大原子能有限公司私有化,因此,加拿大重水鈾反應堆的未來訂購情況尚未可知。

高溫氣冷反應堆High-temperature gas-cooled reactor, HTGR

目前尚不確定應將高溫氣冷反應堆歸為第三代核反應堆還是第四代核反應堆。模塊式球床燃料反應堆(Pebble Bed Modular ReactorPBMR) 是在西門子和ABB 公司為德國開發的設計方案基礎上發展起來的,但由於其試點核電站運營狀況較差,不久該設計方案就被放棄了。目前,南非正在開發這種核反應堆。經過核反應堆供應商之間的各種收購和合併之後,目前這項技術的認證供應商是阿海琺(前西門子)和西屋電氣(前ABB 公司)。目前,南非國有電力公司Eskom 的子公司PBMR 公司正在開發這項技術。該技術的開發資金來自於Eskom公司、英國核燃料公司公司、美國電力公司愛克斯龍(Exelon)和南非國有企業工業發展公司。上述投資公司將享有為出售該核反應堆而建的新公司的股份。該項目於1998 年開始實施,當時預計將在2003 年收到第一批商業訂單。然而,在完成該項設計的過程中,遇到了比預想嚴重的問題。2002 年愛克斯龍撤資,而其他投資方投入的資金也比合約中規定的要少,這使得Eskom 公司不得不承擔大部分成本直至2004 年,2004 年以後南非政府則開始直接投資該研究項目。由於英國核燃料公司轉向了西屋電氣公司的技術,工業發展公司(Industrial Development Corporation)退出,而且沒有新的投資者願意對其投資,造成該項目的研發時間極大的偏離了原計劃,根據2009 年的預期,要到2025 年以後才能收到第一筆訂單。2008 年,Jülich Research Centre(德國政府的核能研究機構,是模塊式球床燃料技術的最早研發者)發布報告,基於對模塊式球床燃料反應堆為原型的核電站的重新評估,對這一設計方案的安全性提出了質疑。96 2009 3 月,南非政府宣布,只為該公司再提供一年的資金。PBMR 公司決定放棄這一正在開發的項目。如今他們可能開發一項去除了部分高級功能的簡化設計,其目標是熱能利用市場,例如脫鹽、煤的氣化和液化等。南非政府撤資后,PBMR 公司所進行的項目似乎不可能繼續下去。

中國目前正在開發具有相同技術根源的類似技術。業界對中國的技術發展發表樂觀評價,但中國政府似乎正轉而發展壓水反應堆,也許還有沸水反應堆。


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