核能经济学:最新研究进展 (八)(ZT)

作者:何岸泉  于 2012-9-14 06:24 发表于 最热闹的华人社交网络--贝壳村

作者分类:反核系列|通用分类:网络文摘

(八)

附录

附录1 核反应堆技术,现有设计方案和供应商

核反应堆技术

核反应堆可以根据使用的冷却剂和减速剂大致分为几类。冷却剂是指将热能从核反应堆堆芯传送到涡轮发电机的流体(气体或液体)。减速剂是一种能降低中子速度的媒介,能使中子在堆芯中保留足够长的时间,从而使核链式反应能够持续进行。冷却剂和减速剂可以有多种组合,但在目前正在使用或出售的核反应堆中,共涉及四种冷却剂和三种减速剂。

最常见的核电站反应堆类型是轻水反应堆(light-water reactorLWR), 它有两个变种:压水反应(pressurised water reactorPWR) 和沸水反应堆boiling water reactorBWR)。这类反应堆的设计原理来自核潜艇的推进装置,它使用普通的水(“轻水”)作为冷却剂和减速剂。普通水的优点是便宜,但它不是最有效的减速剂(普通水分子会吸收一部分中子,而不是将其“反弹”)。因此, 铀的放射性同位素比例必须从0.7% 左右(天然铀的含量)提高到3%以上,而该过程的成本较高。

作为冷却剂,普通水的缺点是它以液体的形式工作。如果冷却回路发生损坏,那么水会立即沸腾,进而失去冷却效果。因此,如何避免“冷却剂丧失事故”(loss of coolant accident)是这种反应堆设计的首要考虑问题。压水反应堆和沸水反应堆的主要区别是,在沸水反应堆里,作为冷却剂的水是可以沸腾的,其产生的水蒸气直接进入涡轮发电机回路,推动涡轮转动发电。而在压水反应堆里,通过施加压力使作为冷却剂的水保持液体形式。压水反应堆引入了一个热交换器(蒸汽发生器),将能量传导至次级回路,在这个次级回路中,水可以沸腾进而推动涡轮转动发电。因此,沸水反应堆的设计比压水反应堆简单,但由于在沸水反应堆中,作为冷却剂的水直接进入涡轮发电机,其放射性污染更加严重。大多数俄罗斯设计的核电反应堆——水动力反应堆(WWER)本质上都是压水反应堆。英国只有一台运营中的压水反应堆—— 西泽韦尔 BSizewell B),没有沸水反应堆。

有些核电站使用“重水”作为冷却剂和减速剂,最常见的就是加拿大设计的加拿大重水铀反应堆(Candu)。在重水中,氢的同位素氘替代了最常见的同位素氕。重水是一种更有效的减速剂,因此加拿大重水铀反应堆可以直接使用天然(未浓缩)铀。但是,生产重水的成本较高,这抵消了以重水作为冷却剂所增加的效率。目前,业界正在考虑一种新的加拿大重水铀反应堆设计,这种反应堆将使用轻水作为冷却剂,重水作为减速剂,但是目前仍在筹划阶段。

除西泽韦尔 B 之外,英国所有核电站都用二氧化碳气体作为冷却剂,用石墨作为减速剂。第一代核电站——镁诺克斯核电站使用天然铀,但由于作为冷却剂的二氧化碳遇水会产生弱酸性进而腐蚀管道,因此,大部分第一代核电站都没能按照设计方案长期运营下去。第二代核电站使用了浓缩铀和抗腐蚀材料。与水相比,石墨作为减速剂的效率更高,但却更加昂贵。其主要缺点是暴露在放射线下易燃且易破裂变形。切尔诺贝利使用的石墨慢化沸水反应堆(RBMK)设计也是用石墨作为减速剂,但使用了轻水作为冷却剂。

业界一直对使用氦气做冷却剂、石墨作为减速剂的核反应堆有着强烈的兴趣,这种核反应堆就是所谓的高温气冷反应堆(high temperature gas-cooled reactorHTGR)。虽然价格昂贵,但由于完全惰性,氦气是一种高效的冷却剂。与使用轻水或二氧化碳作为冷却剂相比,使用氦气和石墨的核反应堆可以在更高温度下运行。这样,核反应堆可以把更多的热量转化成电能,同时,也为核反应堆在发电的同时向某些工业过程提供热量的想法开启了思路。但是,尽管世界上包括英国(从50 多年前就开始)在内的几个国家对这种核反应堆开展了研究,但至今仍未开发出商用设计,其试点核电站的业绩也十分不理想。

业内也讨论过第四代核反应堆的设计思路。美国能源部将改良式第三代核反应堆描述为“进化的(evolutionary)”核反应堆,而第四代反应堆则具有革命性的(revolutionary)进步。业内人士认为,第四代核反应堆“更安全、可持续、经济实惠、更能防止核扩散”。第四代核反应堆设计与现有设计的主要区别是,它能更加充分地使用天然铀。例如,第四代核反应堆的“增殖循环”过程,使得现有反应堆无法利用的天然铀的99.3% 能直接使用。与现有反应堆相比,这种反应堆能在更高温度下运行,而且还有其他功能,例如生产氢气。目前,共有六种核反应堆技术被普遍看好,它们是:

--气冷型快速反应堆

--铅冷型快速反应堆

--熔盐反应堆

--钠冷型快速反应堆

--超临界水冷反应堆

--极高温气冷反应堆

上述六种技术中,只有钠冷型快速反应堆和极高温气冷反应堆在核电站运行上得到了较好的发展。然而,这两种技术也都有各自的问题。钠冷型快速反应堆始于上世纪60 年代,当时,各国都开始了钠冷型快增殖反应堆的开发项目,但事实证明,这种核反应堆不但价格昂贵,而且稳定性较差。因此,目前只有少有国家继续研究这项技术。同上,很多国家从上世纪60 年代开始也开发极高温气冷反应堆,但结果也是无法商业化。因此,现在大多数国家都不再积极开发这项技术了。

这些技术是否能商业化还有待考察,但是其拥护者也承认,2030 年之前这些技术都不会成为商业选择。所以,这些技术与选择现有反应堆建设方案无关。

现有的设计方案和供应商

未来十年西方国家最可能订购的设计方案是所谓的改良式第三代核反应堆Generation III+)。第一代设计方案以20 世纪50 60 年代的第一批反应堆订单为代表;第二代设计方案以大多数正在运营的反应堆为代表,包括20 世纪60 年代末到80 年代初的订单;第三代则以20 世纪80 年代初到2000 年左右的核反应堆订单为代表。在设计之初,第三代反应堆就吸取了三哩岛事故的经验教训。改良式第三代核反应堆设计于切尔诺贝利核灾难之后,它与第三代核反应堆的主要区别是,改良式第三代核反应堆的“被动”安全性(而不是工程安全性)更高。例如,改良式第三代核反应堆对人为设计的紧急冷却系统依赖较少,而更多的是依赖自然过程,如热对流过程。“9.11”事件引发了进一步改良反应堆设计的考虑,现在,任何新型核反应堆都必须具备抵抗商用飞机撞击的能力。

当前,虽然核反应堆设计方案大量涌现但很多设计方案并没有取得实质性的进步,而且方案本身尚未取得监管部门的认可,订购前景也颇为堪忧。目前,没有明确的标准能将现有各种反应堆设计方法归为第几代,但改良式第三代核反应堆除了是最近15 年的设计之外,还有以下主要特点:

--为加速审批进行了标准化方案设计,并能够降低成本,缩短建造时间;

--拥有更简单、更粗放的设计方案,方便操作者使用,且更不易发生操作事故;

--拥有更好的普及性、使用寿命更长(通常是60 年);

--反应堆核心熔化事故的发生率较低;

--对环境的影响极小;

--燃烧率更高,从而降低核燃料消耗,同时减少核废料的产生;

--使用可燃中子吸收器(“抑制剂”),从而延长核燃料的使用寿命。

很明显,上述所归纳的特征并不是很精确,不能用以区分改良式第三代核反应堆和之前几代设计(除非某种核反应堆是从已有的反应堆改良而来的)。下面主要介绍目前订购中的或正在审核中的核反应堆设计方案。

压水反应堆(PWR

目前, 全世界共有四家压水反应堆技术的独立供应商: 西屋电气公司(Westinghouse)、美国燃烧工程公司(Combustion Engineering)、巴布科克威尔科克斯公司(Babcock & Wilcox, B&W)、俄罗斯供应商俄罗斯原子能公司(Rosatom)。

西屋电气(Westinghouse

西屋电气的核反应堆技术是目前最为广泛使用的PWR 技术,同时也是技术授权最为广泛的核反应堆技术,其中主要被授权公司包括:法国阿海珐公司(原Framatome 公司,2001 年更名)、西门子公司(德国)和三菱公司(日本)。西屋电气的核反应堆在全世界范围内销售,2008 年西屋电气在中国获得四座核反应堆的订单,然而在此之前的25 年中,西屋电气只接到过一份订单(西泽韦尔B)。该公司在美国的最后一份订单(订单没有随后撤销的)要追溯到三十多年前

了。1998 年,英国核燃料公司收购了西屋电气公司的核能部门,但2006 年又将其卖给了日本东芝公司。目前,西屋电气的主要设计为AP1000 型核反应堆,但是只获得了中国的四个订单。

AP1000 核反应堆(高级被动式)是从AP-600 发展而来的。AP-600 基本原理是增加反应堆的被动安全性,但其规模经济效益(建造产能更大而不是数量更多的机组)被高估了。一位西屋电气公司的主管表示“规模经济不再可行了”94,以此来论证应该选择建造6 亿瓦而不是1013 亿瓦的核反应堆。1999 年,AP-600通过了美国监管流程并获得了运营执照。但直到这时,人们才清楚地认识到,这种设计其实并不经济实惠,因此核电站运营商从未订购过AP-600。之后,西屋电气又将AP-600 的产能扩大到11.5 亿瓦,希望通过规模经济增强其市场竞争力。2004 9 月,核管理委员会为西屋电气的AP1000 型核反应堆颁发了最终方案审批合格证书,有效期为5 年。2006 年,核管理委员会颁发了一个标准的设计认证证书,有效期为15 年。然而,西屋电气随后提交的进一步设计方案修订稿最早要到2011 年才能通过审核。目前,有很多设计方案都在核设施监察局(NII)的通用设计评估(Generic Design AssessmentGDA)项目下进行审查,AP1000 就是其中之一,预计审查工作将在2011 年中期完成,但与EPR 一样,AP1000 能否通过审批,无法保证。

阿海珐(Areva

法马通公司(Framatome) 和西门子公司在从西屋电气独立出来后,于2000年合并了各自的核业务部门。在新的合资公司中,法马通和西门子分别占66% 34% 的股份。目前,法马通为阿海珐集团旗下子公司,而阿海珐集团90% 以上的股份由法国政府所拥有。2001 年,法马通更名为阿海珐核能(Areva NP)。2009 年,西门子公司表示有意从合资公司中撤股,但到2009 年末,撤股细节仍在商定中。法国所有压水反应堆(共58组)都是由法马通公司提供的,其产品还远销南非、韩国、中国和比利时。德国的11 座压水反应堆中,有10 座是由西门子公司所提供的,而后者的产品还出口至荷兰、瑞士和巴西。

阿海珐核能的欧式压水反应堆

European Pressurised water Reactor.EPR)是唯一一种具有丰富建造经验的改良式第三代压水反应堆。2005 2 月,奥尔基洛托的EPR 建设工程获得了芬兰政府颁发的建设执照,2005 年夏开始动工。2007 年,法国弗拉芒维勒核电站的EPR建设工程开工。中国也订购了两组EPR,但截至2009 年末并未进行实际的建设。EPR 设计方案分别于2004 9 月和20052 月通过了法国和荷兰监管部门的框架安全审批,但是这种设计很多细节还有待最后敲定,下文会详细讨论。阿海珐与联合能源公司合作,要求美国核管理委员会在核能2010 规划下开始对EPR 设计方案进行审核和许可。最终的批准结果至少要到2012 年才能出台。英国安全监管部门——核设施监察局,正在对2007 GDA 项目下的EPR 方案进行审核。核设施监察局预计审核工作将于2011 年中期结束,但这并不意味着该设计一定能通过审核。对于美国市场来说,EPR 是进化动力反应堆(Evolutionary Power Reactor)的缩写。

奥尔基洛托(芬兰)EPR 的产能为1600 兆瓦,但奥尔基洛托之后的EPR 订单产能都提高到了1700 兆瓦。这款设计是从法马通公司N4 设计方案发展而来的,同时也综合了西门子公司Konvoi 设计方案的某些特征。这种新设计方案缩短了燃料重填的时间,从而使其负荷因子95 高达90% 左右。

三菱集团

三菱公司共为日本提供了22 组压水反应堆,但它从未试图进入国际市场,直到2010 年才将其PWR 技术提交给美国核能2010 项目进行审核。一家美国电力公司计划建造一座改良式压水反应堆(Advance PWR,简称APWR,压水反应堆的最现代设计)。1980 年左右,三菱公司与其技术提供商西屋电气公司开始研发改良式压水反应堆,但这种核反应堆的第一批订单一直迟迟未到。在近10 年内,业界一直预期敦贺(日本)核电站将在订购一座APWR,但到2009 年末,该核电站仍未下建设订单。目前,核管理委员会正在审核APWR 的一款改良设计方案,而美国的一家电力公司,TXU,计划订购这种核反应堆。核设施监察局预计对APWR 的审查不会在2012 年之前完成。

美国燃烧工程公司(Combustion Engineering

美国燃烧工程公司生产的自主设计的压水反应堆,在美国已经投产。在国际市场上,韩国审核通过了这款设计方案。1996 年,美国燃烧工程公司的核部门被ABB 集团收购,随后1999 年又被英国核燃料公司接管。现在,它已并入西屋电气核部门,于2006 年作为西屋电气核部门的一部分被卖给东芝公司。

1997 年,美国燃烧工程公司的改良式80 系统(System 80+)设计方案通过了美国监管部门的审核。西屋电气不打算出售这一设计方案。然而,韩国供应商斗山(Doosan)在西屋电气的准许下利用这款设计开发了APR-1400 设计方案。2008 年,韩国订购了这种APR-1400 核反应堆。2005 年韩国用这一设计方案参加中国的核电站招标,但是失败了。200912 月,韩国竞标成功,获得了阿联酋4座核反应堆的建设权。现在,韩国正计划向土耳其出售这款核反应堆。

巴布科克• 威尔科克斯公司 (Babcock & Wilcox

巴布科克·威尔(Babcock&Wilcox)曾为美国供应其自主设计的压水反应堆,但由于三哩岛事故的影响,B&W 公司的技术也被牵涉,因此该公司丧失了其在核反应堆销售领域的地位。在美国之外的国际市场上,B&W 公司只为德国供应过一座核电站,于1986 年完工,但随后不久就由于安全审批问题于1988 年关闭,且永不重启。

俄罗斯原子能公司(Rosatom/Atom Stroy Export

俄罗斯核技术的出口是通过俄罗斯原子能公司(Rosatom)的子公司Atom Stroy ExportASE) 完成的。2009 年,西门子与俄罗斯原子能公司协商,成立合资公司出售俄罗斯核技术。俄罗斯的最新的核反应堆设计方案是AES-2006/WWER-1200, 产能1200 兆瓦,2006 年起出售。俄罗斯的两座核电站,列宁格勒(Leningrad) 和新沃罗涅日(Novovoronezh)核电站分别订购了一组AES-2006/WWER-1200 机组。2008 年,俄罗斯原子能公司在竞标中胜出,为土耳其核电站提供核反应堆,不过该公司为唯一竞标者,而且由于价格较高,该项目的合约于2009 年被取消。目前芬兰和印度正在考虑使用这种核反应堆设计方案。

沸水反应堆(BWR

美国通用电气公司(General ElectricGE)是沸水反应堆的主要设计者,该公司已向美国和其他国家(如德国、日本、瑞士、西班牙和墨西哥)供应了大量沸水反应堆。沸水反应堆的技术使用者包括AEG(后被西门子收购)、日立和东芝。虽然西门子核部门(现已并入阿海珐核能)参加奥尔基洛托核电站竞标时推出了SWR 设计方案,但这种核反应堆离商业化生产还有一段距离。

通用- 日立和东芝

通用电气在日本的技术许可使用方一直在为日本供应沸水反应堆。在日本,共32 座沸水反应堆正在运营或在建。日本一些新型核电站由通用电气公司供应,剩余的则由日立和东芝公司瓜分。目前,在日本,日立、东芝和美国通用电气公司正在联合开发改良式沸水反应堆(Advanced Boiling Water ReactorABWR)。1992年,日本订购了首批共两组ABWR,其建造工程分别于1996 年和1997 年完工。到2009 年末, 日本共有4 ABWR 在运营中、1 组在建, 另外, 台湾也有2 ABWR 正在建造中。ABWR 1997 年通过了美国监管部门的审批,但这项审批将于2012 年过期。目前,通用电气- 日立核能联合公司和东芝公司(独立运营)仍在供应ABWR,这两家公司都要向核管理委员会提交设计改良方案,来重新获取安全认证。现在还不清楚,核管理委员会对设计改变的要求,以及重新认证需要多长时间。不可避免的是,与之前的设计相比,新设计必须采用更加昂贵的保护方案,以抵抗大型飞机的空袭。现在ABWR 应该归入第三代核反应堆,但如果其新设计获得了核管理委员会的重新认证,那么其改良版就应该归入改良式第三代核反应堆了。NRG 电力公司计划在美国核能2010计划框架下建造改良式沸水反应堆。

经济简化型沸水反应堆(Economic & Simplified BWRESBWR) 由通用电气公司开发,产能为1500 兆瓦。2005 10 月,通用电气- 日立核能联合公司向核管理委员会提出申请,对经济简化型沸水反应堆进行安全审核。这种经济简化型沸水反应堆是在通用电气公司的简化沸水反应堆(Simplified Boiling Water ReactorSBWR)和改良式沸水反应堆的基础上发展起来的。20 世纪90 年代,简化沸水反应堆开始了其安全审核过程,但在审核过程结束前就被撤回了,并且没有获得任何订单。很多美国电力公司都选择了这一设计用于核能2010 计划,尽管核管理委员会预计不会在2011 年之前完成对经济简化型沸水反应堆的审核工作。经济简化型沸水反应堆参与了英国2007GDA 审核项目, 但2008 年就被撤回了。在核能2010 计划下,共有6 家电力公司曾计划建造经济简化型沸水反应堆,但其中一家转向了ABWR,另一家似乎已经放弃了该项目。而且,目前,业界对另外四家的核电站项目的可靠性也保持着怀疑态度。美国之外的其他国家似乎对经济简化型沸水反应堆并不感兴趣,因此,该设计方案可能会被放弃。

其他沸水反应堆

瑞典原子通用公司(Asea Atom)生产其自主设计的沸水反应堆。截止到现在为止,该公司共为瑞典供应了九座沸水反应堆,同时为芬兰供应了两座。Asea Atom Brown Boveri 合并成立了ABB公司,后在1999 年被英国核燃料公司收

购,之后又于2006 年作为西屋电气公司的一部分被东芝公司收购。西屋电气公司Asea BWR 设计方案的基础上开发了BWR-90+,产能1500 兆瓦。目前已经立案,但开发工作尚无进展。

加拿大重水铀反应堆(Candu

加拿大原子能有限公司(AECL)是重水核反应堆的主要供应商,该公司共建造了20 多座核反应堆,客户包括加拿大各个电力公司以及阿根廷、罗马尼亚、韩国和中国的电力公司。加拿大原子能有限公司也曾向印度出售核反应堆,但由于核扩散问题,1975 年之后与印度断绝来往,不过印度继续使用那款至今已有四十年历史的核反应堆设计方案建造核电站。阿根廷共建造了三座重水核反应堆,其中一座是加拿大重水铀反应堆,另外两座使用了一种德国设计方案(其中一座至今尚未完工,目前处于停工状态)。

加拿大原子能有限公司未来主要设计方向将是改进式加拿大重水铀反应堆(Advanced Candu Reactor, ACR),预计有750 兆瓦(ACR-700) 和11001200 兆瓦(ACR-1000) 两种规模。之前的加拿大重水铀反应堆设计用重水作为冷却剂和减速剂,但这种新设计使用轻水作为冷却剂,用重水作为减速剂。目ACR-700 正在接受核管理委员会的审核,由美国电力公司多明尼提供赞助,但2005 1 月多明尼撤销资助,而选择了通用电气的经济简化型沸水反应堆设计方案。多明尼公司给出的理由是,美国缺乏加拿大重水铀反应堆技术的实际经验,核管理委员会可能需要至少5 年的时间才能完成该技术审批工作。随后,业界似乎又放弃了ACR-700,而选择了ACR-1000。如果电力公司招标选取这种规模的核反应堆,那么具有30 年历史的Candu-6 设计方案的改良版很可能会参与竞标。ACR-1000 参与了安大略省的核电建设招标,但其提出的价格过高。2007 年,该设计也参与了英国的GDA 项目,但随后不久就被撤回了。现在,有人提议将加拿大重水铀反应堆的国有供应商即加拿大原子能有限公司私有化,因此,加拿大重水铀反应堆的未来订购情况尚未可知。

高温气冷反应堆High-temperature gas-cooled reactor, HTGR

目前尚不确定应将高温气冷反应堆归为第三代核反应堆还是第四代核反应堆。模块式球床燃料反应堆(Pebble Bed Modular ReactorPBMR) 是在西门子和ABB 公司为德国开发的设计方案基础上发展起来的,但由于其试点核电站运营状况较差,不久该设计方案就被放弃了。目前,南非正在开发这种核反应堆。经过核反应堆供应商之间的各种收购和合并之后,目前这项技术的认证供应商是阿海珐(前西门子)和西屋电气(前ABB 公司)。目前,南非国有电力公司Eskom 的子公司PBMR 公司正在开发这项技术。该技术的开发资金来自于Eskom公司、英国核燃料公司公司、美国电力公司爱克斯龙(Exelon)和南非国有企业工业发展公司。上述投资公司将享有为出售该核反应堆而建的新公司的股份。该项目于1998 年开始实施,当时预计将在2003 年收到第一批商业订单。然而,在完成该项设计的过程中,遇到了比预想严重的问题。2002 年爱克斯龙撤资,而其他投资方投入的资金也比合约中规定的要少,这使得Eskom 公司不得不承担大部分成本直至2004 年,2004 年以后南非政府则开始直接投资该研究项目。由于英国核燃料公司转向了西屋电气公司的技术,工业发展公司(Industrial Development Corporation)退出,而且没有新的投资者愿意对其投资,造成该项目的研发时间极大的偏离了原计划,根据2009 年的预期,要到2025 年以后才能收到第一笔订单。2008 年,Jülich Research Centre(德国政府的核能研究机构,是模块式球床燃料技术的最早研发者)发布报告,基于对模块式球床燃料反应堆为原型的核电站的重新评估,对这一设计方案的安全性提出了质疑。96 2009 3 月,南非政府宣布,只为该公司再提供一年的资金。PBMR 公司决定放弃这一正在开发的项目。如今他们可能开发一项去除了部分高级功能的简化设计,其目标是热能利用市场,例如脱盐、煤的气化和液化等。南非政府撤资后,PBMR 公司所进行的项目似乎不可能继续下去。

中国目前正在开发具有相同技术根源的类似技术。业界对中国的技术发展发表乐观评价,但中国政府似乎正转而发展压水反应堆,也许还有沸水反应堆。


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