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王孟源的部落格

事實與邏輯

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  • 2015-10-23 19:17

【工業】再談中國的核電發展

我在前文《高溫氣冷堆》中介紹了這項由清華主導的第四代核電技術。中國是唯一還在積極發展高溫氣冷堆的國家,投資也算是可觀,但是它其實不但不是當前中國核電的主流,連未來的主力研發方向都算不上,衹是一項備用的技術。其問題的根本在於高溫氣冷堆的功率密度過低,雙堆并聯也衹有200MW的電功率,而中國對核電的需求極高,到2020年預訂必須有58GW的裝機量,到2030年將超過400GW;相形之下,最新的壓水堆已達到單堆1.75GW的電功率,所需的廠房數目可以減低一個數量級。因此中國的核能戰略是所謂的三步走:“熱堆—快堆—聚變堆“,其中的熱堆就是第三代的壓水堆,快堆是我在《高溫氣冷堆》也提過的快滋生反應堆,聚變堆則在《永遠的未來技術》裏解釋過,是與超弦并列爲物理界兩大成功忽悠的不切實際幻想。

還好搞核聚變的人不敢把商業化的日期訂得太近,以免謊話被拆穿。最大膽的(一般是50歲以上,20年内就會退休的人)也衹敢說30年後,所以中方的投資還在預研階段,不算太高,而且是多方下注,除了純聚變之外,也支持所謂的“Z箍縮聚變-裂變混合反應堆”。這其實是用很小規模的聚變來激發快滋生裂變反應,也就是聚變產生的中子并不直接用來加熱蒸汽輪機,而是被鈾238吸收後再依傳統的裂變反應來發電,因此在技術上還有實用化的可能,真正的問題可能會出在經濟性上,亦即競爭不過液態金屬冷卻的快堆,但是那要等實件做出來之後才能確定。這個計劃的領導人是中物院的彭先覺院士,他在今年稍早公開說核聚變“可能無法很快”實用化,并不是酸葡萄心理下的無的放矢。

實際上中國到2030年所需要的400多座核電反應爐,絕大多數都會是第三代的壓水堆。原本的計劃是以西屋的AP-1000系列(由國核技引進)爲主力,但是一方面美方提供的關鍵部件(推動冷卻劑内環路的主泵)老是不過關,另一方面過去兩年爲了努力外銷創匯,決策高層了解到外銷型號也必須在國内大量部署,否則客戶永遠會有疑慮,所以似乎已經轉向爲AP和華龍一號兼顧的策略。當然華龍一號其實是兩種完全不同的設計(參見《克里斯蒂娜的玩笑》):中核的土產型號和中廣核的仿EPR。這次英國願意在Bradwell(參見《英國二三事》)裝華龍一號,正因爲它其實就是法國的EPR,和EDF要建的Hinkley Point是一回事。其實EPR現有的兩座示範工程(分別在芬蘭和法國,Hinkley Point將是第三座)都嚴重超支并落後進度,說不定還得靠中廣核來解決問題,但是中國的高科技還沒有國際聲譽,行銷時沾些法國人的光也是不得已的辦法。

既然在可見的未來,壓水堆是絕對的主力,那麽快堆的意義何在呢?我在前文已解釋過,以液態金屬爲冷卻劑的快堆沒有中子減速劑(其他反應堆用水或石墨),工作原理和壓水堆完全不同,不是靠喜歡吸收慢中子的鈾235,燒的是喜歡快中子的鈾238和超鈾元素。鈾235衹占天然鈾的0.7%,快堆顯然在燃料來源上有很大的優勢,但是壓水堆有70年的民用和軍用技術纍積,在安全性和經濟性上都成熟得多,所以快堆在中國核能計劃裏的地位其實是從核廢料處理而著眼的,也就是所謂的核循環。一般壓水堆的燃料棒在兩年内就必須更換,然後會因裂變過程中產生的高放射性物質(尤其是超鈾元素)的自發性衰變而持續大量放熱,這些燃料棒因而成爲最難處理的核廢料,必須在冷卻池中儲存很長的時間。臺灣衹有6個反應爐,尚且頭痛萬分,中國到2030年的反應爐數目將超過境外的總和,廢棄的燃料棒預計達到23500噸,而且會以大約爲臺灣百倍的速度持續纍積,傳統的儲存方式不但極爲昂貴困難,也是對有限的鈾礦資源的一大浪費。

目前其他核先進國家唯一的改進手段是很有限的回收循環,把用過的燃料棒裏所含的鈾235、鈽和其他超鈾元素濃縮製成MOX(Mixed OXide)燃料,然後應用到專爲MOX修改過的壓水堆。這對鈾資源的應用率,提升衹有20%,而且產能也極爲有限,回收能力最高的法國衹有1700噸的年產能,英國有1200噸,日本則有800噸。2015年九月23日,中核宣佈將投資1000多億人民幣,引進一座法國Areva設計的年產能800噸回收循環廠,預計2020年開工,廠址將在山東、江蘇、浙江、福建和廣東幾省中選擇。

很顯然地,以中國核能發展之大之快,現有的回收循環技術是杯水車薪,所以再進一步就是引進重水堆。重水堆和壓水堆相當類似,主要的不同在於冷卻劑用的是重水而不是一般的水。重水是氫的同位素氘的氧化物,由海水提煉純化而來。氫原子核就是一個質子,和中子有很好的彈性散射截面,所以在當冷卻劑的同時可以兼做中子減速劑;但是質子也會和中子做非彈性反應,結合成氘,所以部分中子被吸收了,連鎖反應的總效率因而降低;這正是爲什麽壓水堆的燃料必須先經過濃縮,把鈾235的成分提升到2-5%的原因。改用重水後,氘的彈性散射截面和氫相似,非彈性反應(吸收一個中子而成爲氚)截面卻小得多,連鎖反應效率更高,就無須提升鈾235的濃度,使用天然鈾就可以發電。正是因爲這個好處,1994年中國還沒有高效的離心濃縮技術(到2013年六月21日,中核集團的蘭州鈾濃縮公司才公開宣佈已成功將離心機工業化;在此之前,舊式的擴散法耗電達25倍之多),便特別與專長在於重水堆的加拿大原子能公司(Atomic Energy of Canada Limited,AECL)開始合作,1996年正式簽約,引進了兩座CANDU(CANada Deuterium Uranium,加拿大氘鈾;選擇這個縮寫是因爲它聽起來和Can Do同音,而“Can Do”是“行/沒問題”的意思)6號反應爐,也就是秦山核電站三期工程。後來發現重水堆的真正價值在於對燃料不挑剔(不過還沒有到《Back to the Future》裏把垃圾丟進去就可以發電的地步),壓水堆用過的燃料不須經過前面提到的全回收過程,衹要簡單用化學提煉出鈾就可以推動重水堆,同樣也能提升鈾資源的總應用率20%。整個示範工程在2015年七月通過審查,預計2016年底正式啓用。長程的計劃是引進最新的EC6(Enhanced CANDU 6,達到第三代反應器的安全標準)技術,國產化之後稱爲AFCR(Advanced Fuel CANDU Reactor,先進燃料重水堆),依每四座壓水堆建一座重水堆的比例,可以更廉價地達成燃料回收循環的結果,而且兩者的效果在理論上可以叠加。

重水堆對燃料不挑剔,燒釷(Thorium)燃料也可以。釷的地表存量是鈾的三倍,印度是主產區,所以印度的核反應爐大多是從加拿大引進的重水堆,共有15座。重水堆的另一個用處是生產軍用的鈽239;這是因爲它的燃料濃度低,必須經常更換,所以產生的鈽239沒有足夠的時間被轉化爲鈽240。鈽240會自我引爆,是製造鈽基原子彈的最大障礙。雖然重水堆生產鈽239的效率遠低於快堆,但是印度還是靠著前者纍積了足夠的鈽在1974年製造了第一顆原子彈。伊朗也有一座重水堆,依今年七月達成的協議(參見前文《與伊朗的核子談判》)必須將它改造爲不產鈽的形態;2015年十月19日,中國國家原子能機構宣佈將幫助伊朗進行這項改造。

前面提到的回收循環廠和重水堆,對鈾資源的高效應用和核廢料的回收處理,都衹有有限的貢獻。真正要把超鈾廢料大幅消化嬗變,還得靠快堆;但是用液態金屬(如鈉)來做冷卻劑,工程的難度當然更高得多。目前快堆技術最先進的是俄國,中國在2009年引進了一個實驗堆,預計2035年才能商業化,届時壓水堆用過的第一手燃料經簡單分離後,可提供重水堆使用,其後的廢料可由回收循環廠提煉出MOX,在特別配置的壓水堆和重水堆用第三次,最終最髒的廢料再交由快堆處理,達成理想中的全循環。

中國的核能發展,如同高鐵一樣,引進世界衆家之長(即德國的高溫氣冷堆,美國西屋公司的AP系列壓水堆,法國Areva公司的EPR壓水堆和核廢料回收循環廠,加拿大的CANDU重水堆,和俄國的快堆),快速地發展出更先進更全面的技術(除前列外來技術的後續發展外,Z箍縮技術和中核的壓水堆基本是土產的),是後來居上的典範。其與汽車工業的最大不同,就在於高度集中於中央的計劃與監控權力,强迫那些實際執行業務的企業要專注在產業技術提升,而不被市場額份和利潤分散了注意力。自由市場永遠都對大資本和老玩家最爲有利,相信絕對自由主義能幫助他們高速發展經濟的開發中國家衹能是美國宣傳體系的受害者。

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  • 作者:王孟源

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迴響(16)

# re: 【工業】再談中國的核電發展
看到這篇 想到台灣的核四....先天不良 後天失調 乾脆夭折....
核四原本是該建的,但是拖了這麽多年,工程品質很有疑慮,未來的管理也沒有保證,反而越來越建不得。

幾十年前輕易辦成的事,現在卻已無力爲之,這是典型的衰退消失中的國家的現象。美國也是一樣的,君不見爲一個主泵折騰了近十年,衹是有美元和軍事霸權撐著,衰敗還沒有明顯化而已。
# re: 【工業】再談中國的核電發展
中国的离心机最近几年才国产化成功,但是伊朗一直有大量的离心机,新闻上说伊朗国产的,这让我一直很困惑。
伊朗的離心機技術來自巴基斯坦,而巴基斯坦的技術來自歐洲。1972年,A.Q.Khan從他的荷蘭雇主那裏獲得了最新的離心機設計,潛逃回巴基斯坦後,開始純化大量鈾235,後來在1983年試爆了第一枚回教原子彈。和印度的鈽基彈不同,巴基斯坦的原子彈是鈾基的。
# re: 【工業】再談中國的核電發展
感谢您的回复!

但我接下来又有两点困惑了:

1.既然巴基斯坦很早就有了离心机的生产技术,按照中国和巴基斯坦的关系,中国应该也很早就能国产化离心机才合理。

2.我不了解离心机,但是感觉离心机应该是对工艺水平很高的,仅仅有设计图纸而没有一个高水平的工业体系是很难生产出离心机的吧?巴基斯坦和伊朗都能在自主的工业体系里实现离心机的国产化,很令人惊讶。
巴基斯坦和伊朗的離心機還是有許多關鍵部件必須進口,不過很多都主要是民用的產品,所以早年并沒有太大的困難。

至於中國爲什麽沒有早一點從巴基斯坦引進離心機技術,我也不清楚。我的猜測是等到巴基斯坦搞定的時候,已經是80年代,當時的外交局勢不利這種敏感的技術轉移,中國國内又在大裁軍,再加上60、70年代在擴散式技術的投資很多,所以就一直沿用到近年民用核能開始大規模興建才有了動力搞效率較高的技術。
# re: 【工業】再談中國的核電發展
我在网上看到高溫氣冷堆可以在核战略轰炸机使用,比如只闻其名的五星之光,问一下王先生,这个具有可行性吗?
沒有可行性,體積和重量太大。
# re: 【工業】再談中國的核電發展
全球首台三代核电AP1000主泵通过国家核安全局审查

http://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1390508
# re: 【工業】再談中國的核電發展
只是初步通過試驗,下一步還要到核電場試運主泵性能,大概又要一,二年才有可能正式運作。就好像今年初,主泵正式完成,但是到了8月試驗又出問題。
這個主泵真的把引進AP1000的計劃搞得灰頭土臉,法國的EPR毛病更多,中國的核能工業還是大有可爲的。
# re: 【工業】再談中國的核電發展
孟源兄,想請教您一下關於釷能發電的事情。網上的有關的資料真偽令我有些難分。我在維基看到的釷能簡直是一面倒優於鈾,想問一下是真確的嗎?那些優點究竟是釷,還是第四代核電? 另世上好像還沒有釷能的核電廠,但又資料說CANDU可用於釷能,這是真實情況嗎?另外,世界各國的發展情況如何?

謝謝
我在正文裏已解釋過了,輕水堆(即壓水堆和沸水堆)衹能用鈾或MOX,要用釷就必須用重水堆或快堆。重水堆不是主流,以往衹有加拿大在投資研發,所以連第三代都還沒有做出來。快堆的技術更困難,中國自己的估計是2030-2035年才能大批量商業化。

一般的報導都是不誠實的宣傳,是行内人爲了騙經費寫的。不過至少重水堆或快堆都是真正可以工程化的技術,也有回收循環的特別功效,所以給了足夠的時間,應該還是會開發成功的。
  • 2015-10-30
  • Yau
# re: 【工業】再談中國的核電發展
謝謝回覆,我自是物理本科畢業的,本來十分清楚明白核融合不是短時間可發生的。但前一陣子有一則新聞是Lockheed Martin 的 Fusion Reactor, Lockheed Martin 是十分知名的企業,弄得我也有些動搖,孟源兄有沒有聽過物理學屆的傳聞真假? 是不是像猶他大學的烏龍事件?
不是的。ITER是一個超大型的Tokamak,本身就很昂貴,又被人謀不臧,現在已經超支3倍到150億美元。所以有很多其他的電漿專家(我知道有將近10個公司)說我們有不同的設計,衹要1-5億美元就可以達成核融合。

他們之中或許有幾個可以做到核融合,但是最終如何把中子的動能轉換成熱能還是無解。

這個留言應該放在《永遠的未來技術》。
  • 2015-10-30
  • Yau
# re: 【工业】再谈中国的核电发展
感谢博主撰文。

本来我对核电可以是一窍不通。但是知道些中国大陆核电发展的擦边消息,所以写出来给博主参考。

我现在发现内地的老百姓其实对于国家的种种基础设施包括核电的感受可以说和世界上其他地方截然不同的。这在外界绝对是无法想象。

比如我老家这边要修路,开路,拆迁等等等等,从开始到结束过程速度超级快,可以说用惊人来形容,比如两个月内,10平方公里的土地就给你改天换地。相同,核电建设全国可以瞬间在一两年内给你一下子建设50个核电厂。这在外面的任何国家都是不可想象的。

因为政府不用民调。导致老百姓对地方政府的种种行为可以说是漠不关心。政府要干啥也没啥阻拦,甚至核电也是。我老家非常贫困,人均gdp不到4000美金,基础设施也落后尤其是电力短缺,中央要建设第五代核电(事实上我也不知道这是什么程度),说建就建了。地方老百姓对此毫不关心,没人反对,甚至很多人不知道。我问过一个官员,他就直接说,老百姓是支持的,这其实是中国标准官方口吻了,反正政府随意摆出14亿老百姓的声音出来,核电也是安全的。当然好像中国的核电也真没出什么事。
這種事還是由政治精英(前提是有理想,所以不能是財閥)決定,有效率的多。
# re: 【工業】再談中國的核電發展
姚广孝网友,不是不关心,而是没有什么可以反对的,网上该讨论的早就讨论过了。比如拆迁,实际上除了拆迁出人命这种新闻以外,还有另外一种,那就是拆二代,在中国,被拆迁被认为是一夜暴富的经典片段之一。所以,很多时候,除了觉得还可以要的再多一些的,大多数人都是早早就签字走人。

至于说老百姓关心核电安全与否,不如说需要与否,刚看了观察网的新闻,英国已经开始限电了,一度电2.5英镑。www.guancha.cn/europe/2015_11_05_340188.shtml
大陆有句话,现在流的泪都是早年脑袋进的水,台湾废除了核四,估计下场比英国好不到哪里。你也说大陆利用核电多年,还是比较有经验的,所以与其关心要不要,还不如好好监督安全利用。下面这篇怎么感觉有点忽悠,请王先生鉴别一下。
中国核反应堆技术实现突破 或将消除熔毁风险
www.guancha.cn/Science/2015_11_05_340157.shtml

大陆的民智其实也久经考验,80年代大家从收音机里的美国之音了解什么是民主,结果搞出了89。进入新世纪,PX项目的反复,以及包括你说的核电问题,还有一个就是手机信号站在小区受阻,这些都是一个套路,大众对政府的不信任被媒体恶意放大,结果造成很多群体事件。到了最后,买单的还是老百姓,还有句话,骗你一次是别人不对,骗你两次就是你的问题了,不知道你看过赵本山的卖拐系列小品没,多么生动的现实。

最后歪一下楼吧,刚才看到王先生谈到习马会,说是共产党考虑历史定位,突然想起历史上的46年,两位领导人在重庆见面,还签了一纸协议,结果离别不久内战爆发,从此换了江山。金杯同汝饮,白刃不相饶。这就是中国的政治现实。当年国民党不管出于何种想法,让共产党去谈判,从道义上给了和平一次机会,如今共产党叫国民党去谈判,一报还一报,从此两清,再不相欠。很多人觉得和国民党谈不出什么,其实问题不在于谈,而在于共产党事后会不会改变对台政策,如果真是那样,恐怕王先生所有的担心都已经成真。我倒是希望马总统最后哪怕表个态,不仅仅是为自己,也算是为百年大党的历史定位真正男人一次。
必然談不出什麽重要議題,純粹是象徵性的姿態。

至於會後的政策怎麽走,我個人認爲應該完全放下政治考慮,專注在經濟整合和社會救助上,畢竟臺灣社會被自己玩砸了,爛攤子最後還是得由中方來收拾。
# re: 【工業】再談中國的核電發展
不过现在台湾社会反对大陆经济上的整合,说让利都让财阀吃了,反而成了反对大陆的借口,而不是检讨自身内部的分配问题,感觉这个好像没法再进行下去了
臺灣極度崇洋,其實可以借力打力:衹要有國際壓力,就可以壓下島内的政治反對。例如紫光要兼并聯發科,把WTO扯進來,威脅制裁,臺灣自然會乖乖就範。
# re: 【工業】再談中國的核電發展
jk123网友,香港其实也是这个问题,这也是大陆对一国两制的深刻教训和思考,中共在大陆之所吃得开靠的是完善的动员机制和深入到村镇的行政体制,而这些在香港没有,未来如果在台湾也没有,必然会发生和香港一样的问题。这也是大陆现在民意急速转向武统的一个重要原因。目前来看,台湾确实保留了很多中国传统文化,比如桩角政治,其实就是古代令不出衙的翻版,对于现代社会的世俗化管理有很大的弊端和阻力。虽然这版面的网友都知道最后还是要中共来收拾,但是如何收拾其实是个分歧,我个人是主张大破大立的,毕竟从长远来看对统治上更有利,只不过台湾肯定免不了要继续沉沦二三十年,虽然大家都觉得惋惜,但其实也是无可奈何之事,有些路早晚都要走。大陆也在文革里转了一圈才幡然醒悟。

另外,王先生有没有发现,NASA最近不断出新闻(观察网几乎每周都有),是到了年底要向国会要钱了,还是另一版本的星球大战?我觉得前者更可靠点吧,要真是后者,那美国的政治智商未免下降的太快了。
NASA自1980年代起,年年都得托鉢化緣,各式各樣的媒體炒作已經成爲它的主要業務。最近的一堆有關火星的消息,也不外是平常的公關罷了。
# re: 【工業】再談中國的核電發展
I read the following article
www.guancha.cn/Science/2015_11_05_340157.shtml
If I undstand correctly, It was not a “power reactor” to generate electric power, more likely it is a different version of USDOE 20 years ago program - transmutation of nuclear waste.In that program, a 1.2 GeV proton- beam would be stop at a tungsten target, and knock out about 30 high energy neutrons per incident proton, while those neutrons absorbed by nuclear waste material, they will transmute the long-lived radioactive waste isotopes to relatively short-lived isotopes. During the process power would be generated, but it is not the main goal.
According to the article, IHP used high energy proton beam to initiate the fission process of a sub-critical pile. The fission process will be stoped if ther is no proton beam, so it is not a self sustaining process, can not be used for power reactor. I have no information about how many neutron produced in the process, if the multiplication factor k is much large than 1, I wonder whether the system is stable.
If their pourpose was to reduce nuclear waste, I have different idea.I will be happy to e-mail it to you.
Best regard. By the way, I really enjoy reading your article. To read your article and every body else comments is the first thing for me, when I turn on my computer.Thank you very much.
Using particle beams to induce fission reaction without going "critical" (i.e. chain-reaction) is an old idea among academics, but has never been used on large-scale application due to its impracticality. Basically, it is a fast-neutron reactor where most of the neutrons have to be supplied by outside sources. The Fast-Breeders will be at least 10 times more economical.
# re: 【工业】再谈中国的核电发展
“瑞金将建全球首座第四代核电站”

sztqb.sznews.com/.../content_3201602.htm

好吧,我今天一百度,原来全球“最先进的核电站”就在我老家。看来我老家和核电还挺有缘。当地老百姓是抵制的,但是我觉得还是迟早全国复制。想想第四代核电都有问题,那么全球的都有问题了。
我在《高溫氣冷堆》就提過,這是全球第一座完全商業化的高溫氣冷堆發電站,恭喜了。
# re: 【工業】再談中國的核電發展
比尔·盖茨访华谈第四代核能技术行波堆合作
m.guancha.cn/america/2015_11_13_341123.shtml
王先生覺得這所謂的第四代核電有沒有實行的可能性?我個人覺得這是巨大的騙局,騙錢騙時間,美國連所謂的第三代核電都完成不了就提第四代。
這是快堆的一個變種,不是騙局,但是技術困難很高,也沒有經驗纍積,我并不看好。
# re: 【工業】再談中國的核電發展
補充一段影片,相當好的核電科普資料及中國核電發展,裡面有核電廠內部運作場景...。「科技相对论」特别企划:核电,到底有多“危险”?
https://www.youtube.com/watch?v=Wt5PQ1zM4KM
看來是和中廣核合作的節目,説的都是很基本的事實,不過對不是理工科出身的普羅大衆應該是有價值的國民教育。

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