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2014-04-03   作者:李長久(新華社世界問題研究中心研究員)  來源:經(jīng)濟(jì)參考報
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  1.核能(電)今昔 2.“棄核”還是“興核” 3.災(zāi)難與科學(xué)相伴 4.“裂變”邁向“聚變” 5.探索未來能源

  日前,第三屆核安全峰會在荷蘭海牙舉行,峰會主題是,如何加強(qiáng)核設(shè)施和核材料的保護(hù),防止出現(xiàn)核事故。迄今,核裂變能一直存在三大問題:能否安全運(yùn)轉(zhuǎn);原料能否保障供應(yīng);核廢料如何安全儲存。目前,幾個大國在加強(qiáng)國際合作的同時都在積極研究從核裂變邁向核聚變。如果受控核聚變得以實現(xiàn),人類將獲得安全、清潔、廉價和取之不竭的能源,從而在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的情況下實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展。

  核能(電)今昔

  據(jù)世界核能協(xié)會(WNA)統(tǒng)計,截至2012年11月,全球共有30個國家運(yùn)行著436臺核電機(jī)組,總裝機(jī)容量為3.74億千瓦;13個國家正在建設(shè)62臺核電機(jī)組,總裝機(jī)容量為6300萬千瓦;27個國家計劃建設(shè)167臺核電機(jī)組,總裝機(jī)容量為1.82億千瓦。2012年全球核電鈾需求量為67990噸。
  國際原子能機(jī)構(gòu)2013年7月15日發(fā)表報告指出,2012年核電國家在加強(qiáng)核安全方面取得顯著進(jìn)展,但437座運(yùn)行中的核反應(yīng)堆機(jī)組中,有162座使用已超過30年,有22座使用超過40年。因此,核電站老化問題是有關(guān)國家面臨的挑戰(zhàn)。核能是原子核結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時放出的能量,在實用上指重元素的原子核發(fā)生分裂反應(yīng)(又稱裂變)時和輕元素的原子核發(fā)生聚合反應(yīng)(又稱聚變)時所放出的巨大能量。因此,核能分別稱裂變能和聚變能。
  核電站是利用原子核裂變反應(yīng)放出的核能發(fā)電的裝置。其核心是核反應(yīng)堆,它是一個能維持和控制核裂變反應(yīng)的裝置,在這里實現(xiàn)核能——熱能轉(zhuǎn)換。
  20世紀(jì)60年代,美國曾積極發(fā)展核能(電)業(yè)。1973年3月,美國三里島壓水堆核電站因操作失誤等原因,發(fā)生堆芯熔毀嚴(yán)重事故,使美國核電業(yè)發(fā)展受到重創(chuàng),美國核能(電)業(yè)陷入停滯。目前,美國有104座核反應(yīng)堆,其中69座為壓水反應(yīng)堆,35座為輕水反應(yīng)堆。奧巴馬擔(dān)任美國總統(tǒng)以來,一再強(qiáng)調(diào)美國將繼續(xù)發(fā)展核能(電)業(yè)。2012年5月,美國核管理委員會批準(zhǔn)南方電力公司兩臺AP1000核電機(jī)組的建設(shè)和運(yùn)行許可證,裝機(jī)容量均為110萬千瓦,分別于2016年和2017年投入運(yùn)行。這是30年來美國第一次建設(shè)新的核電站。
  20世紀(jì)70年代后,石油價格上漲推動了核能(電)業(yè)發(fā)展,目前世界商業(yè)運(yùn)行的核電機(jī)組大多數(shù)在此期間建成,稱為第二代核電機(jī)組。俄羅斯是世界核能大國之一,擁有豐富的鈾礦儲量,掌握了從鈾礦開采到發(fā)展核電整體技術(shù)。目前,俄羅斯國內(nèi)運(yùn)營核電機(jī)組32臺,有500多家企業(yè)和機(jī)構(gòu)、19萬人員從事核能研發(fā)工作。2012年9月,俄羅斯國家原子能公司副總裁表示,俄羅斯計劃將于2030年前再建38個核電機(jī)組。
  為保證核電站安全運(yùn)行,20世紀(jì)90年代,美國和歐洲先后出臺了URD文件和EUR文件,明確了提高安全可靠性和防范嚴(yán)重事故的要求。國際上通常把滿足這兩個文件的核電機(jī)組稱為第三代核電機(jī)組。2000年1月,在美國能源部倡議下,美、英、日等十個有意發(fā)展核能利用的國家,聯(lián)合組成“第四代國際核能論壇”,并于2001年7月簽署合約,約定共同合作研發(fā)第四代核能系統(tǒng)。第四代核能利用系統(tǒng),指安全性和經(jīng)濟(jì)性都更加優(yōu)越,廢物量極少,無需廠外應(yīng)急,并具有防核擴(kuò)散能力的核能利用系統(tǒng),其商用化估計到2030年前后實現(xiàn)。

  “棄核”還是“興核”

  世界核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展很不平衡。據(jù)世界核能協(xié)會統(tǒng)計,截止2009年2月,全球運(yùn)營的核反應(yīng)堆共436座,核電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)371927MWe,約相當(dāng)于全球電力裝機(jī)總?cè)萘康?%。北美、歐洲和東亞的核能發(fā)電量占世界核能總發(fā)電量的98%。在擁有核反應(yīng)堆的31個國家和地區(qū)中,美國、法國、日本三個國家的核能發(fā)電量、在役核反應(yīng)堆數(shù)和裝機(jī)容量分別占全球的58%、50%和57%。
  進(jìn)入21世紀(jì)以來,一些國家掀起核電站建設(shè)新熱潮。2009年11月英國公布核能擴(kuò)建計劃,提出興建10座核電站。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省2010年3月19日公布的“能源基本計劃”草案中心內(nèi)容包括將核能發(fā)電作為“低碳電力資源的核心”,計劃在2030年前至少新建14座核電站。韓國提出在2015年前,除在建的4臺核電機(jī)組外,再建8座核電站,將核電占比提升至45%。
  日本福島核電站事故發(fā)生后,一些國家展開“棄核”還是“興核”之爭。日本陸地面積僅占世界陸地面積的0.1%,卻集中世界每年發(fā)生地震的10%,不具備繼續(xù)擴(kuò)建核電站的自然條件,退出“核電大國”俱樂部在所難免。但日本國內(nèi)缺少化石能源資源,去核電化將影響仍不景氣的經(jīng)濟(jì)。
  目前,歐盟境內(nèi)共有143座核電站,分布在14個國家,其中,法國58座,英國19座,德國17座。核能發(fā)電量約占?xì)W盟發(fā)電總量的1/3,滿足其約15%的能源需求。歐盟理事會、各國政府和社會各界圍繞核電政策爭論激烈。2011年3月1德國總理默克爾宣布,關(guān)閉國內(nèi)1980年以前建成的7座核電站,并在2020年前逐步關(guān)停所有核電站。瑞士繼德國之后決定,逐步關(guān)停本國所有核電站。法國建立了大規(guī)模的核能工業(yè)體系,核電占法國發(fā)電總量的78%。法國則堅持發(fā)展核電,以確保能源可持續(xù)發(fā)展。

  災(zāi)難與科學(xué)相伴

  世界第一座核電站運(yùn)行60多年來,已發(fā)生三次事故,越來越多的核廢料儲存也存在巨大隱患,特別是鈾等資源能否保證供應(yīng),引起各方關(guān)注。從核裂變邁向核聚變是核電業(yè)發(fā)展大勢所趨。
  1934年,法國物理學(xué)家居里夫婦用a粒子轟擊鎂和硼的時候,產(chǎn)生了人工放射現(xiàn)象。1938年,德國科學(xué)家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在居里夫人實驗基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)了核裂變反應(yīng)。1942年12月,費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家們在芝加哥大學(xué)體育場西看臺下一個網(wǎng)球廳操縱世界上第一座核反應(yīng)堆啟動運(yùn)行成功,首次實現(xiàn)了大型核反應(yīng)堆和制造钚的工廠,按時、按值、按量提供钚。在著名物理學(xué)家勞倫斯領(lǐng)導(dǎo)下,科學(xué)家在1944年生產(chǎn)出濃縮鈾235。在得到足夠的核裂變材料后,加利福尼亞大學(xué)物理學(xué)家奧本海默領(lǐng)導(dǎo)制造出實用的原子彈。
  哈恩與他的同事、助手實現(xiàn)了核裂變反應(yīng),奠定下制造原子彈、原子能和平利用的理論和實踐基礎(chǔ)。但在第二次世界大戰(zhàn)期間,哈恩竭盡其力不使德國獲得原子彈。1958年,由哈恩發(fā)起、50多位諾貝爾獎獲得者簽名的“宣言”指出:“在今天的戰(zhàn)爭中,如果不加限制地使用一切可能的武器,將會使地球沾染上放射性,其強(qiáng)度足以滅絕全人類。”
  核裂變原料主要是鈾。在全球已探明鈾礦資源儲量中,澳大利亞占25%,哈薩克斯坦占20%,其他鈾礦資源儲量較多的國家有加拿大、俄羅斯、烏茲別克斯坦和尼日爾等非洲國家。日本曾在1955年12月制定的《原子能基本法》中就明確把釷與鈾并列為核裂變“原料”。2010年9月,日本內(nèi)閣府原子能委員會代理委員長鈴木達(dá)次就核裁軍和防止核擴(kuò)散提出“十項建議”中再次提出,應(yīng)開發(fā)釷核電技術(shù)。據(jù)科學(xué)家們估計,全球釷礦資源儲量比鈾礦資源儲量多三、四倍,分布在許多國家,已探明釷礦資源儲量足夠世界使用100年。釷在反應(yīng)堆燃燒過程不產(chǎn)生钚——制造核武器的原料,不僅核廢料較少,而且放射性也比鈾少得多,是一種安全的核裂變原料。

  “裂變”邁向“聚變”

  鈾、釷礦資源都是不可再生資源。因此,一些國家正大力研發(fā)從核裂變邁向核聚變。從核裂變邁向核聚變是核電業(yè)發(fā)展大勢所趨。目前,受控核聚變領(lǐng)域的研發(fā)重點(diǎn)有二:一是利用氫同位素為原料,二是利用氦-3為原料。
  氦-3是一種公認(rèn)的高效、清潔、安全核聚變原料。椐科學(xué)家們估計,100噸氦-3就可提供目前全世界一年的能源使用量。但是,在地球上氦-3的儲量極少,不具有開發(fā)價值。因此,一些國家正在研發(fā)利用氫同位素為原料,即核聚變原料主要是氫、氘和氚。氘也叫重氫,1公斤海水中含有0.034克氘,故地球海洋里有約23.4萬億噸氘,足夠人類使用幾十億年?茖W(xué)家從一升海水可提煉1/6克氘,其聚變后放出的能量相當(dāng)于300升汽油燃燒釋放的能量。浙江大學(xué)物理學(xué)教授盛正卯介紹,從海水中提煉氘技術(shù)已掌握,問題是核聚變過程中不能實現(xiàn)可控,一旦解決了可控的核聚變難題,不僅將解決全世界的能源問題,而且放射性微少,不產(chǎn)生核廢料,對環(huán)境的污染很小。
  美國科學(xué)家希望通過模仿太陽中心核聚變能原理,打造出微型“人造太陽”,為將來探索新能源帶來希望。在加利福尼亞州弗莫爾市的“國家點(diǎn)燃設(shè)施”實驗室,科學(xué)家的目標(biāo)是制造出1億攝氏度以上的溫度和比地球上任何地方大數(shù)十倍的壓力,而產(chǎn)生此溫度和壓力的來源只是相當(dāng)于針尖大小的一點(diǎn)氫燃料。
  《科技日報》2013年1月援引《科學(xué)》雜志網(wǎng)站提供的信息:歐盟負(fù)責(zé)核聚變研發(fā)工作的機(jī)構(gòu)——?dú)W洲核聚變發(fā)展協(xié)會發(fā)布的歐盟聚變示范電站設(shè)計與開發(fā)路線圖,計劃于2050年建成一座未來可供工業(yè)界使用的原型聚變電站。作為最主要的備用計劃,路線圖倡導(dǎo)繼續(xù)仿星器的設(shè)計和開發(fā)。仿星器是一種替代性聚變反應(yīng)堆,其最大優(yōu)點(diǎn)是能夠連續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行。德國的溫特爾斯坦仿星器7-X(W7-X)將于2014年建成,科學(xué)家在W7-X反應(yīng)堆安裝一種叫“仿星器”的設(shè)備,旨在模仿恒星內(nèi)部持續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)。
  物理學(xué)家組織網(wǎng)站2013年9月援引勞倫斯.利弗莫爾國家實驗室報告稱,世界最大激光器、被稱為“人造太陽”的美國國家點(diǎn)火裝置正距離其目標(biāo)越來越近,一個可持續(xù)核聚變反應(yīng)裝置正在由夢想逐步成為現(xiàn)實。 “數(shù)十年后,核聚變能源將替代石油等傳統(tǒng)燃料。”

  探索未來能源

  歐盟聚變示范電站設(shè)計與開發(fā)路線圖認(rèn)為,人類在利用聚變發(fā)電方面取得進(jìn)展的關(guān)鍵在于“國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃”的實施。
  2005年6月,歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和中國的國際熱核聚變反應(yīng)堆計劃六方代表在莫斯科達(dá)成協(xié)議,確定法國南部城市馬賽附近的卡達(dá)拉舍為國際熱核聚變反應(yīng)堆的建造地。國際熱核實驗反應(yīng)堆計劃的目的是建立世界上第一個受控?zé)岷司圩儗嶒灧磻?yīng)堆,其規(guī)模與未來實用型的核聚變反應(yīng)堆相仿,用以解決建設(shè)核聚變電站的關(guān)鍵技術(shù)問題。計劃建造的熱核實驗反應(yīng)堆預(yù)計將耗資128億美元,其中,歐盟承擔(dān)40%,其他五方分別承擔(dān)10%。這是除國際空間站外又一規(guī)模最大的國際科技合作項目。2006年11月,歐盟、美國、中國、日本、俄羅斯、韓國和印度的代表在法國總統(tǒng)府愛麗舍宮共同簽署了國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆計劃聯(lián)合實施協(xié)定。國際熱核聚變實驗堆計劃正式啟動,這是人類在核聚變研究、共同探索未來能源的里程碑事件。
  國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆的原理類似太陽發(fā)熱,即在上億攝氏度的超高溫條件下,利用氫的同位素氘、氚的聚變反應(yīng)釋放出核能。核聚變?nèi)剂想碗翱梢詮暮K刑崛。司圩兎磻?yīng)不產(chǎn)生溫室氣體及核廢料。由于原料取之不盡、不危害生態(tài)環(huán)境,因此,核聚變能源成為未來人類寄予厚望的新能源。
  國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER)正在取得進(jìn)展,將于2019年在法國開始試驗。如果試驗成功,該項目獲得的數(shù)據(jù)將幫助ITER研究團(tuán)隊設(shè)計一個在2040年前建成的、2000兆瓦至4000兆瓦的示范性核聚變電站。一些專家預(yù)測,人類有望在30至50年內(nèi)掌握核聚變技術(shù),從而有效解決人類面臨的能源和環(huán)境問題。

  中國全面提升核安全水平

  自1984年以來,中國核能業(yè)發(fā)展迅速。目前中國已有商業(yè)運(yùn)行的核電機(jī)組17臺,總裝機(jī)容量1470萬千瓦,在建核電站機(jī)組29臺,總裝機(jī)容量3057萬千瓦,經(jīng)成為全球核電發(fā)展的重心之一。
  2012年10月,國務(wù)院批復(fù)《核安全與放射性污染防治“十二五”規(guī)劃及2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)》,強(qiáng)調(diào)安全是核電發(fā)展的生命線,全面加強(qiáng)核電安全管理,必須把安全第一的方針落實到核電規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行、退役全過程及所有相關(guān)產(chǎn)業(yè)。2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)具體包括:運(yùn)行和在建核設(shè)施安全水平持續(xù)提高,“十三五”及以后新建核電機(jī)組力爭實現(xiàn)從設(shè)計上實際消除大量放射性物質(zhì)釋放的可能性。到2020年,核電安全保持國際先進(jìn)水平,核安全與放射性污染防治水平全面提升,輻射環(huán)境質(zhì)量保持良好。在具體實施過程中,提高核電技術(shù)準(zhǔn)入門檻,需按照全球最高安全要求新建核電項目,新建核電機(jī)組必須符合三代安全標(biāo)準(zhǔn)。
  2013年10月,在四川省綿陽參加中國科技城科技博覽會的中核集團(tuán)工作人員表示,中國自主三代核電品牌ACP1000已具備2013年底開工條件,同時,多重防護(hù)措施保證其有能力抵御“福島式”核事故。中國三代核電站建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn),四代核電技術(shù)取得突破!逗穗娭虚L期發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》確定,2015年將完成原規(guī)劃當(dāng)中的在運(yùn)4000萬千瓦核電裝機(jī)的目標(biāo),在建核電裝機(jī)規(guī)模有所上調(diào),將略超過2000萬千瓦;到2020年中國核電裝機(jī)容量將達(dá)到在運(yùn)5800萬千瓦,在建3000萬千瓦。
  2013年10月,英國政府與法國電力集團(tuán)公司(法電集團(tuán))達(dá)成工程建設(shè)協(xié)議,后者將與法國阿海法核電集團(tuán)以及中國兩家核電企業(yè)合作,在英國興建兩臺第三代壓水堆核電機(jī)組,總投資160億英鎊,法電集團(tuán)將持股40%至50%,阿海法將持股10%,中國核工業(yè)集團(tuán)和廣東核電集團(tuán)有限公司將共同持股30%至40%。

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