數說2020年全球核能發電

                    發布時間: 2020-03-26 12:01:26   來源:中國電力網  作者:龐名立

                      核能發電(nuclear power)是用鈾制成的核燃料在“反應堆”的設備內發生裂變而產生大量熱能,再用處于高壓力下的水把熱能帶出,在蒸汽發生器內產生蒸汽,蒸汽推動汽輪機帶動發電機一起旋轉而發電,并通過電網輸送給消費者。

                      用核反應堆產生核能,需要解決以下4個問題:

                      ⑴ 為核裂變鏈式反應提供必要的條件,使其反應得以進行;

                      ⑵ 鏈式反應必須能由人工通過一定裝置進行控制。失去控制的裂變能不僅不能用于發電,還會釀成災害;

                      ⑶ 裂變反應產生的能量要能從反應堆中安全取出;

                      ⑷ 裂變反應中產生的中子和放射性物質對人體危害很大,必須設法避免。

                      核能發電的能量來自核反應堆中的可裂變材料(核燃料)進行裂變反應所釋放的裂變能。裂變反應指鈾-235、钚-239、鈾-233等重元素在中子作用下分裂為兩個碎片,同時放出中子和大量能量的過程。反應中,可裂變材料的原子核吸收一個中子后發生裂變并放出2~3個中子。若這些中子除去消耗,至少有一個中子能引起另一個原子核裂變,使裂變自持地進行,這種反應稱為“鏈式裂變反應”。實現鏈式反應是核能發電的前提。

                      核電站是一種高能量、低耗料的電站,此外,核燃料在反應堆內燃燒的過程中,同時還能產生出新的核燃料。核電站的基建投資高,但燃料費用較低,發電成本也較低,污染小。

                      核電站發電與火力發電相比,核電的特點是:

                      ⑴ 核能發電是清潔能源。核電站不排放有害物質,不會造成“溫室效應”。

                      ⑵ 核能發電是經濟的能源。雖然核電站的比投資高于燃煤電廠,但由于核燃料的成本低于燃煤成本以及核燃料是長期起作用等因素,所以目前核電站的總發電成本低于燃煤電站。

                      ⑶ 核能是可持續發展的能源。世界上已探明的鈾儲量約490萬噸,釷儲量約275萬噸。這些裂變燃料足夠使用到聚變能時代。

                      聚變燃料主要是氘和鋰。海水中的氘含量為0.034克/升,地球上總水量約為1.386×1018m3 ,其中氘的儲量約40萬億噸,地球上的鋰儲量約有2000億噸,鋰可用來制造氚。按目前世界能源的消費水平,地球上可供原子核聚變的氘和氚,能供人類使用上千億年。

                      核能發電發展到2030年,進入第五代操作系統將會提供更安全、更可靠、更經濟、更持續發展,見表可以看出,中國核電站已經自主研究開發的,并且已經進入第四代核電站,操作更加經濟安全,排放廢物更加少。

                      核電站進程

                      1979年的三哩島核泄漏事故和1986年的切爾諾貝利核事故使美國放緩了建造核能發電廠的步伐。后來,核能在經濟與環境兩方面的益處使美國政府又開始重新考慮它。公眾也對核能很感興趣,隨著不斷飆升的油價,核能發電廠安全性的提高和符合京都議定書規定的低溫室氣體排放量使一些有影響的環境保護論者開始注意核能。有一些核反應堆已處于建造當中,幾種新型核反應堆也在計劃之中。

                      核能是一種儲量充足并被廣泛應用的能量來源。如果用核能取代化石燃料來發電的話,溫室效應也會減輕。國際間正在進行對于改善核能安全性的研究,科學家們同時還在研究可控核聚變和核能的更多用途,如制氫(氫能也是一種被廣泛提倡的清潔能源)、海水淡化和大面積供熱。

                      21世紀后全球暖化等議題成為關注焦點,比爾·蓋茨等一群企業家和科學團隊認為核能是拯救暖化的唯一方案,這類觀點認定其他綠能之類方法耗用的土地與單位電費太高,不能在全人類經濟不崩潰的前提下終止暖化,蓋茨旗下投資泰拉能源一直研發第四代反應堆兼顧安全性與廉價巨大電量的終極目標。

                      中國國家政策認定核能是唯一兼顧經濟發展與抗暖化的巨量電力方案,眾多國有企業和民間資本投入研發,中華人民共和國核工業成為21世紀初期至今全球最大規模的核能工業建設。

                      中國目前有2大核電公司:主要經營北部的中國核工業集團公司和主要經營中國南部的中國廣核集團。中國通過國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)計劃參與的核聚變反應堆的開發,已經在合肥構建了一個被稱為先進超導托卡馬克實驗裝置(EAST)的試驗性核聚變反應堆;以及研究和開發釷燃料循環作為一個潛在的核裂變替代方法。

                      鈾的來源

                      鈾在土壤、巖石及河流、海洋都可發現;甚至在人體和食品中都有痕跡量存在。但是濃縮的鈾礦卻只在很少的地方發現,一般是在堅硬的巖石中,如在地殼中占60%的花崗巖中,其鈾含量可達百萬分之四。

                      自然界中存在的可裂變元素只有鈾-235,而它只占天然鈾中的0.7%,其余均為鈾-238。在核電站中可將一部分鈾-238轉變為钚-239,同樣,也可以將自然界中大量存在的釷-232轉變為可裂變的鈾-233,因此,估計核燃料資源時,必須考慮核燃料增殖這一因素。這樣,核燃料的儲量遠遠超過化石燃料,能長期滿足核能發電的需要。

                      天然鈾的典型濃度

                      各國鈾儲量

                      鈾儲備量是指可供開采的鈾資源儲備,不計同位素。即使不考慮增殖反應堆所產生的副產品(例如钚),鈾儲備量中所蘊含的核裂變能量遠大于地球上所有化石燃料(甚至包括甲烷氣水包合物)的能量之和。有一些元素例如釷可以用來生成鈾,并且副產品可以用于熱發電。很多加拿大、格陵蘭、西伯利亞和南極洲的地區因為永久凍土而沒有進行勘探,其中可能含有大量未被發現的儲備。

                      2011年鈾可采資源量為5327200噸U,2017年增加到6142600噸U。中國鈾資源勘探從2011年的166100噸U增加到2017年的290 400噸U。

                      本數據是OECD NEA & IAEA于2017年發布的。此儲量包括可采儲量和推斷儲量。

                      2017年世界各國鈾儲量

                      1945-2018年鈾累積產量

                      1945-2016年期間的鈾生產可分為四個不同階段:

                      ⑴ 1945年至1960年代中期的軍事時代,核燃料發電是核軍備競賽的附帶條件。上世紀50年代,為了滿足高濃縮鈾和钚的需求,生產迅速增長。鈾需求在1960年代急劇下降,作為回應,到1960年代中期產量減半。

                      ⑵ 1960年代中期至1980年代中期。隨著反應堆訂單的擴大,民用核能快速擴張的時期見證了鈾產量的回升。許多新礦山投產,通常由與北美、日本和西歐電力公司簽訂的長期合同承保。西方的生產在1980年達到頂峰,直到1985年都保持在年度反應堆需求之上。

                      ⑶ 1980年代中期至2002年左右。到1985年,核建設計劃被嚴重削減。為了建造更多的核電站,許多公用事業公司已經簽署了鈾合同。尊重這些創造了一個重要的懸置。隨著礦山的枯竭,許多礦山減產或關閉。公用事業公司在不依賴新產品的情況下,通過減少大量庫存來滿足要求。由于1993年前蘇聯的鈾進入西方市場,供應過剩的時間延長了。

                      ⑷ 21世紀初至今。市場對需要新的初級生產以促進預期的核增長復興的看法作出了強烈反應。這是在多年來一直面臨不利經濟條件、需要抵消不斷減少和有限的二次供應的鈾礦部門的背景下發生的。這一反應始于2003年,當時世界鈾價格強勁上漲,一直持續到2007年(2003年初至2007年年中,現貨市場價格上漲了13倍),但隨后進入了向下調整,2011年福島核事故更是加劇了這一趨勢。自事故發生以來,鈾價格已跌至有史以來經通脹調整的最低水平之一。

                      1945-2018年鈾累積產量

                      2009-2018期間各國鈾產量

                      本數據是世界核能協會(WNA)于 2019年8月份提供的從鈾礦生產(公噸U)的數據。

                      世界約76%從鈾礦生產的鈾是來自哈薩克斯坦、加拿大、澳大利亞和納米比亞。其中哈薩克斯坦鈾生產占世界的比例最大,供應世界的40.6%,其次是加拿大(13.1%)和澳大利亞(12.2%)。中國鈾產量較少,鈾生產居世界第8位,占世界總量的3.5%。

                      2009-2018年鈾礦生產(公噸U)

                      單位換算:68240tU=80472 tU3O8 ; 1 tU3O8=80472/68240=1.179

                      鈾礦開采法

                      鈾礦開采方法主要有露天開采、地下開采和原地浸出采鈾三種方法。

                      ⑴ 露天開采法。按一定程序先剝離表土和覆蓋巖石,使礦石出露,然后進行采礦。此法僅用于埋藏較淺的礦體。

                      ⑵ 地下開采法。通過掘進聯系地表與礦體的一系列井巷,從礦體中采出礦石。此工藝過程比較復雜,在礦床離地表較深的條件下采用這種方法。

                      ⑶ 原地溶浸采鈾法(In situ leach,ISL)。通過地表鉆孔將化學藥劑注入礦帶,通過化學反應選擇性地溶解礦石中的有用成分—鈾,并將浸出液提取出地表,而不使礦石繞圍巖產生位移。這種采鈾的方法與常規采礦相比,生產成本低,勞動強度小,但其應用有一定的局限性,只適用于具有一定地質、水文地質條件的礦床。

                      采礦方法一直在改變。1990年世界55%的產量來自地下礦山,但到1999年,這一比例急劇下降,當時為33%。從2000年起,加拿大的新礦山又增加了產量。原地溶浸采鈾法(ISL或ISR)采礦在總產量中的份額一直在穩步增加,主要是由于哈薩克斯坦,2018年占總產量的一半以上。

                      2018年鈾礦開采法

                      傳統的鈾礦山有一個磨礦機,將礦石粉碎、研磨,然后用硫酸浸出,以溶解鈾氧化物。在常規礦山的選礦廠或ISL操作的處理廠,鈾在干燥和包裝之前,通常用離子交換以U3O8形式分離。一些磨坊和ISL操作(尤其是在美國)使用碳酸鹽浸出,而不是硫酸,這取決于礦體。用副產品法當鈾作為副產品被回收時,銅或磷酸鹽處理過程可能會更復雜。

                      鈾生產公司

                      20世紀90年代 ,鈾生產行業通過收購、兼并和關閉得到了鞏固,但隨著哈薩克斯坦的跨國所有權結構,這一行業再次多樣化。超過一半的鈾礦生產來自國有礦業公司,其中一些公司將安全供應置于市場考慮之上。2018年,全球前十大鈾生產公司銷售了全球87%的鈾產量:

                      2013~2015年世界鈾生產主要公司

                      隨著哈薩克斯坦的跨國所有權結構再次多元化。超過一半的鈾礦生產來自國有礦業公司,其中一些公司將安全供應置于市場考慮之上,全球總產量約有下降。2018年,全球前十大鈾生產公司銷售了全球80%的鈾產量:

                      2018年世界鈾生產主要公司

                      2018年最大的鈾礦山

                      2018年世界十大鈾礦占據了全球總產量的51%。雖然加拿大雪茄湖居產量之首,但哈薩克斯坦占了4席。

                      2018年世界十大鈾礦

                      核能發電在各國電力份額中的比例

                      本數據是世界核能協會(World Nuclear Association,WNA)于 2019年8月份提供的數據。德國和日本核能發電在世界各國電力中的份額處于逐年下降,而中國大陸卻上升。

                      核能發電在世界各國電力中的份額(%)

                      2020年2月全球核反應堆及鈾需求

                      本數據是世界核能協會(World Nuclear Association,WNA)于 2020年2月份提供的數據。

                    2020年2月全球核反應堆及鈾需求

                      單位換算:68240tU=80472tU3O8 ; 1 tU3O8=80472/68240=1.179

                      全球十大核電站

                      世界上最大的核電站是日本柏崎刈羽核電站,裝機容量為7965MW,但2011年已經停工。值得注意的是韓國核電站進展很快,前十位核電站就占有4席,把美國和日本都摔到后面。

                    全球十大核電站

                      核反應堆類型與分布

                      2018年底全球運行的反應堆有449座,壓水反應堆(PWR)最多,占總量的298/449=66%;其次為沸水反應堆(BWR)。

                      2018年全球運行的反應堆類型與分布

                          關鍵詞: 核電站

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