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      如何讓14億人碳中“核”?

      2022-04-19 15:28  來源:微信公眾號 “放大燈”(ID:guokr233),作者:溫火    碳中“核”  核能利用  核能發電  核電經濟性

      在雙碳大背景下,能源行業急需大力發展清潔而高效的能源,滿足國內日益高漲的用電需求。然而一直以來,風光電等綠色能源受困于穩定性不足的先天缺陷,而儲能技術的成熟與規?;稚行枰恍r日。但其實人類社會在許多年前,就已經找到了一種可能的終極能源解決方案并一直沿用至今,那就是核能。


      在雙碳大背景下,能源行業急需大力發展清潔而高效的能源,滿足國內日益高漲的用電需求。

      然而一直以來,風光電等綠色能源受困于穩定性不足的先天缺陷,而儲能技術的成熟與規?;稚行枰恍r日。

      但其實人類社會在許多年前,就已經找到了一種可能的終極能源解決方案并一直沿用至今,那就是核能。

      01 市場概況

      核電站的發電原理和火電類似,都是“燒水”,但核電通過核燃料裂變產生的熱量“燒”水,使水轉化成高溫高壓蒸汽驅動汽輪機發電。

      能效角度,核電是一種非常高效、清潔的能源。1kg U235的充分裂變(也就是俗稱的鈾235),產生的能量相當于2700噸完全燃燒的標準煤或3700噸普通煤。以此計算,全球的核燃料資源能夠提供的熱量大約是化石燃料的十幾萬倍,因此,以裂變為基礎的核能是長期緩和能源危機的有效手段 。

      成本角度,核電在發電成本上明顯低于火電,相較于光伏、風電、生物質等清潔能源,核電綜合發電成本、利用效率和機組壽命也具備一定競爭力。

      同時,即使光伏或風電這樣被視作綠色能源的發電方式,實際上也有不容忽視的間接碳排放。唯有核能,具備全程維持極低碳排放的潛力(但也有大量技術問題尚未解決)。在雙碳目標下,隨著中國電力需求的不斷增長,核電作為少數有望在未來大規模替代火電的基核能源,是國家能源結構轉型升級過程中,最具潛力的選手之一 。

      在我國當前的電力消費占比中,核電僅占5%,低于世界平均水平的10%[1],更遠低于經合組織成員國的平均水平18%和美國的19.7%??梢哉f,中國國內的核電市場距離潛在巔峰發電水平至少還有數倍距離,核電市場具備可觀的發展空間。

      國內市場方面,根據中國核能行業協會發布的《中國核能發展報告(2020)》預計,十四五及中長期內核電建設有望按照每年6~8臺持續穩步推進。按照當前百萬千瓦機組建設成本150億~200億元人民幣/臺計算,每年將帶來千億的市場空間[2]。根據測算,建成后的單臺華龍一號年發電能力近100億度[3],發電收入近40億元(按照三代核電上網電價0.4元/度保守估算[4]),60年運行壽期內可為投資者帶來可觀收益。

      而在政策面上,本土核能行業也逐步迎來利好。在此前的十三屆人大四次會議上,《2021年政府工作報告》重點提出“在確保安全的前提下積極有序發展核電”,這是近十年來政府工作報告中首次使用“積極”的字眼提及核電。

      02 主流技術劃分及未來發展趨勢

      核能發電始于上世紀50年代,經歷了半個多世紀不同階段的發展,如今分布在31個國家的448座反應堆提供了全球10%的電力[4],伴隨著核電發展的不同階段,核電廠設計誕生了“代”概念。

      一代反應堆

      二戰期間,各國在研制核武器的同時,也在致力于核能的民用研究,為了研究核反應堆的特性和核電的工程可實施性,各國建立了一批試驗堆和原型堆(也即第一代核電站),如蘇聯的第一座原子能電站(位于奧布寧斯克),美國的希平港核動力廠等。

      二代反應堆

      第二代核電站是指20世紀60年代末期開始投入商業運行的核電機組,當前大部分在運行的核電站都屬于二代或二代半。主流的二代核電站技術有5種,分別是:壓水堆、沸水堆、重水堆、高溫氣冷堆、快中子堆。

      五種主要動力堆基本特征

      核反應堆通過可控鏈式裂變核反應產生熱量,裂變產生的中子都是“高能中子”,即能量在2~10MeV的“快中子”??熘凶佣阎?,裂變由“快中子”引起,無需中子慢化劑。熱中子堆中裂變是由熱中子引起的,需要足夠的中子慢化劑。冷卻劑是堆內載熱的介質。

      壓水堆

      壓水堆是使用加壓的輕水(提高沸點)做冷卻劑和慢化劑的反應堆,采用富集度3%~5%的鈾做核燃料。壓水堆分為三個回路,一回路的作用是利用高壓水帶走堆內熱量。二回路的作用是接收一回路高壓水傳遞出的熱量,并將其用來發電,三回路是用來將二回路發電后的余熱排放到環境(江、河、湖、?;虼髿?。

      如下圖所示,核反應堆放置在壓力容器中進行可控鏈式核裂變反應,其冷卻劑入口水溫在290℃左右,出口水溫在330℃左右,一回路壓力為15.5MPa,壓力靠一臺穩壓器進行控制,回路中不允許出現沸騰現象[5]。核反應堆堆芯出口冷卻劑從壓力容器上部離開核反應堆,進入蒸汽發生器,將熱量傳遞給二回路。從蒸汽發生器產生的高溫蒸汽流過汽輪機,帶動發電機組發電。不能利用的大部分能量通過三回路排放。

      基于軍用核反應堆的應用基礎,結合工業上使用輕水的長期經驗,壓水堆技術成為了核電發展的重點技術,曾一度壟斷核電國際市場。其最顯著的優點是結構緊湊、堆芯功率密度大,在相同功率下比其他堆型的體積小,同時經濟性好,基建費用低,建設周期短,同時輕水便宜、易于獲得和處理,既可以用作慢化劑,又可以當做冷卻劑。在上述因素的共同影響下,壓水堆在世界上的機組占比達到65%。

      沸水堆

      沸水堆是利用沸水做慢化劑和冷卻劑,并在壓力容器內直接產生飽和蒸汽的核反應堆。沸水堆將壓水堆的一、二回路合并成一個回路,液態冷卻劑進入堆芯后產生蒸汽,攜帶堆芯熱量的汽水混合物向上經過壓力容器上部空間的汽水分離器和干燥器,約13%的流體為蒸汽直接進入汽輪機發電,蒸汽做工后經過冷凝器作為給水返回堆芯。剩下87%的流體則重新進入循環。

      沸水堆和壓水堆相比具有一些優點:

      直接循環,反應堆直接產生蒸汽,節省了一個回路,無需昂貴的蒸汽發生器和穩壓器,能減少大量的設備需求;

      工作壓力低,但產生的蒸汽溫度和壓力比壓水堆高,因此熱力系統效率比壓水堆高。

      然而,沸水堆的輻射防護問題卻極復雜,由于核反應堆流出的冷卻劑直接引入汽輪機,導致汽輪機等重要設備的輻射屏蔽和廢物處理的需求高,停堆檢修時間長,電廠設備利用率低。此外,沸水堆的功率密度比壓水堆小,需要的核燃料比同功率壓水堆多,經濟性上可能略差一些。

      在當前的核電市場中,主要是日本和中國臺灣省采用這一技術路線。

      重水堆

      重水堆是用重水作慢化劑的核反應堆,其核電站堆型也稱為CANDU堆,主要分為壓力管式與壓力殼式兩種。以壓力管式重水堆為例,核反應堆所在的容器稱為排管容器,里面裝有低溫、低壓的重水,成排的燃料管道貫穿排管容器,這種燃料管道包含內外兩層套管,用來分隔慢化劑和冷卻劑。主泵將重水送入排管容器,流經燃料通道帶走熱量,而后經過蒸汽發生器,將熱量傳遞給二次側輕水蒸汽推動汽輪機做工。重水堆反應堆回路同樣設置穩壓器,以維持較高的系統壓力。

      相較于輕水堆,重水堆能夠使用天然鈾作核燃料無需為重水堆建立濃縮鈾廠。另外由于其慢化劑和冷卻劑分開,失水事故的后果可能沒有輕水堆嚴重。

      然而重水的慢化能力(可簡單理解為減慢中子運動速度的能力)不如輕水,為了充分慢化高能中子,需要大量重水慢化劑,導致同樣功率的重水堆堆芯遠比壓水堆要大。另一方面,20t天然水僅能制備3kg重水,費用十分高昂。

      由于重水堆的建設不需要依賴鈾濃縮廠,印度、阿根廷、巴基斯坦等國家先后引進了加拿大的CANDU堆,我國秦山3期工程兩機組也為重水堆。

      高溫氣冷堆

      氣冷堆用氣體作為冷卻劑而非傳統的水,其優點是不會發生堆內沸騰,缺點是氣體導熱能力差,需加壓運行。

      當代的高溫氣冷堆技術采用化學惰性高、熱工性能好的氦氣作冷卻劑,燃料元件為全陶瓷型包覆顆粒,用石墨做慢化劑,堆芯出口氦氣的設計溫度有望實現950℃。燃料元件主要結構形式有兩種,一種類似壓水堆呈棱柱狀,另一種燃料元件為球形。

      首先石墨作為一種固有溫度反應性系數為負數的材料(可簡單理解為溫度越高越會抑制核反應),負反饋保證反應堆高溫后可迅速降低功率,確保反應堆安全。且試驗表明,石墨在2100℃條件下,包覆顆粒仍能保持完整性,且能承受3000℃以上的高溫。極高的熔點意味著在嚴重事故中,事故溫度不足以讓高溫氣冷堆堆芯融化,也就確保了不會發生類似切爾諾貝利的事件。第三代高溫氣冷因為上述優點是國際公認的安全性好、發電效率高的先進反應堆。

      快中子堆

      快堆是利用高能中子引發裂變反應的核反應堆,通常用液態金屬鈉作冷卻劑??熘凶佣阎饕譃閮深?,回路式結構和池式一體化結構。

      以回路式結構為例,堆芯產生的熱量通過封閉的鈉冷卻劑回路先后傳遞給中間回路和汽水回路推動汽輪機組發電,與壓水堆不同的是鈉冷快堆增加了一個以液態鈉為介質的中間回路,以避免蒸汽發生器泄露引起的鈉水反應威脅核反應堆本體。

      回路式結構

      池式一體化結構將堆芯、鈉循環泵、中間熱交換器(即一回路)放置在一個體積龐大的液態鈉池中,通過鈉泵給液鈉提供動力,液鈉通過堆芯被加熱到550℃后,從堆芯上部流出經中間熱交換器換熱,溫度降到400℃左右。較高的出口溫度使得快堆的熱效率能夠達到41%,遠超壓水堆。

      池式一體化結構

      此外,目前的熱中子堆對鈾的利用率,折算為天然鈾資源僅為約1%~2%,快堆通過結合后處理技術,能夠將鈾資源的利用率提高到70%。但快堆由于鈉水反應,鈉中含氧量高能造成極為嚴重的腐蝕等問題,導致其應用范圍不廣,主要集中在俄羅斯,且尚未全面進入商用。

      三代反應堆

      在經歷了切爾諾貝利和三里島事故后,全世界從安全性和經濟性上對核技術有了更新的要求。

      第三代輕水堆是根據美國核電用戶要求文件(URD)和歐洲核電用戶要求文件(EUR),在安全設計、性能設計和經濟性方面都有較大提升的核動力廠,如專設安全系統需保證堆芯累計損壞頻率小于10-5/堆年,或是非能動核電廠設計至少保證至少72小時無需操作員干預等。其代表性堆型是AP1000、EPR和華龍一號。

      AP1000

      AP1000是美國西屋公司開發的電功率為1117MW的壓水堆,該堆型創造性地將“非能動”安全理念引入安全系統地設計中,并大大簡化了系統配置,滿足URD要求。AP1000的全球首堆已于2018年在我國三門市實現并網發電。

      AP1000設計參數[6]

      EPR

      EPR是由西門子公司、法國電力集團、法瑪通公司聯合研發的歐洲第三代壓水堆,采取安全系統多樣性和增強冗余性理念,說白了就是為安全功能多設幾樣系統,每樣系統多設置幾列一樣的,一般是4列。下表列出了EPR的主要指標,為了降低發電成本,其提高了電功率和熱工參數,發電機組的熱效率高。全球首座投入商運的EPR機組2019年于我國臺山市正式并網發電。

      EPR設計參數[7]

      華龍一號

      華龍一號是中核集團與中廣核開發的、具備能動和非能動相結合安全特征的先進核電廠。華龍一號是基于現有壓水堆核電廠的漸進式設計,具備177堆芯、CF3先進燃料組件、能動與非能動安全系統、全面的嚴重事故預防與緩解措施等。2020年,華龍一號全球首堆——福清核電5號機組正式并網發電。隨著近幾年海內外華龍一號示范項目相繼并網,我國后續可能會迎來該型號的批量化建設階段。

      華龍一號設計參數[5]

      2000年,美國能源部牽頭提出了面向未來的“四代核電”概念及14項基本要求,并由此衍生出了6種主要候選堆型,然而由于材料等技術的限制以及經濟性等指標的過高要求,想看到四代堆脫離“紙面”尚極為遙遠??梢哉J為,第三代壓水堆將是未來我國核電領域最有希望得到廣泛應用的技術路線。

      03 行業參與者與產業鏈概況

      與許多人想象的不同,核電領域并非完全封閉,是留有供社會資本進入窗口的,例如2020年核準的三澳核電是國內首個引入民間資本的核電建設項目。但核電作為一個極其特殊與敏感,且重資產運行的行業,當前建設發展仍高度依賴國家投資推動。

      從產業鏈看,核電的上中下游分別為:

      上游:核燃料制備;

      中游:設備制造;

      下游:核電站建設、運營及乏燃料處理。

      核燃料制備

      美國核能研究所認為,核能的鈾成本約為14%,如果包括所有前端和廢物管理成本,則總的燃料成本約為34%。2021年中國廣核在投資者互動平臺表示,核燃料成本占銷售電力業務營業成本的比重約為30%左右。

      作為一種極為敏感的物質,核燃料管制非常嚴格,許可準入壁壘極高,行業業態較為固定。中核是我國唯一能夠開采鈾礦的核電企業,也是國內鈾的唯一供應商,在核燃料前端保持壟斷地位。除國內開采這一渠道外,國內的核電業主們同樣進行海外投資和國際貿易布局,在哈薩克斯坦、納米比亞、澳大利亞、加拿大等國家投資建礦,以保證國內鈾資源的充足供應。

      設備制造

      中游是核電產業投資占比最高的環節,可達50%以上,這也是是民營企業參與度最高的板塊。核電設備包括核島設備、常規島設備、輔助設備三個大類。

      核島說的是執行核安全功能的廠房統稱,主要包括核反應堆壓力容器、主泵、主管道、蒸汽發生器、核級泵閥、換熱器等,這部分設備大多執行核安全功能,運行工況復雜,標準要求嚴苛,造成廠家的技術壁壘高,毛利率高,屬于高端產品線。

      常規島指的是將熱能轉換為機械能進而轉化為電能的無核區域,如汽輪機廠房及其配套廠房。常規島設備和輔助設備的執行標準同其他工業用途類似,并不具備“核”的特殊性,因此該領域的準入門檻低,同質化競爭嚴重,毛利率低。

      核電站建設、運營及乏燃料處理

      目前核電建設與運營主要以中核、中廣核、國電投三家為主,CR2高達87%,呈現高度壟斷的態勢。針對乏燃料(燒完的廢料)的后處理,當前階段我國的方法主要為“開式循環”,業內也稱“一次通過式”(once through),即乏燃料不進行后處理,將乏燃料長期貯存,直接放置于核電站的乏燃料水池或甘肅北山的地下存儲基地中。

      “閉式循環”則是通過后處理將乏燃料回收利用,提取其中的錒系核素重新制作核燃料,旨在盡可能的提高經濟效益并降低核廢料的重量。但總體來說這一路線仍處發展早期,也不夠成熟,乏燃料后處理廠及相關產業是一片藍海市場,目前尚未有直接相關公司上市。

      此外,除了基本的技術問題外,核電行業仍面臨著建設成本高、建設周期長、電站老化管理、高放廢物處置及公眾接受度低等一系列復雜問題。

      然而這些問題單靠核電產業本身很難解決,需要在外部力量的介入下協同發展,如來自國家政策層面的扶持,社會資本的接入等,本文受篇幅所限不就此進一步展開。

      References:

      [1] IAEA公布2019年全球核電發展數據,國家原子能機構分析http://www.caea.gov.cn/n6758881/n6759299/c6810177/content.html

      [2] 中國核電網分析:華龍一號造價比AP1000低多少?http://www.jmwbj.com/article/23019.html

      [3] 我國第二臺“華龍一號”核電機組并網發電,中央政府網http://www.gov.cn/xinwen/2022-01/02/content_5666149.htm

      [4] 國家發展改革委關于三代核電首批項目試行上網電價的通知https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/tz/201904/t20190401_962414.html?code=&state=123

      [5] 《華龍一號 能動與非能動相結合的先進壓水堆核電廠》原子能出版社

      [6] 楊洋. 三代核電技術簡析及主要堆型對比分析[J]. 現代工業經濟和信息化, 2017, 7(10):3.

      [7] Yong WANG, Ji-en MA, You-tong FANG,等. 世界三代壓水堆主要機型技術分析英文[J]. Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics & Engineering), 2016.

      本文來自微信公眾號 “放大燈”(ID:guokr233),作者:溫火,編輯:陳悶雷,36氪經授權發布。



      圖為技術

      深圳核博會

      中國核電網


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