三、建立"环境友好"和"资源节约"型的能源供应与消费体系
能源是我国实现现代化的动力。建立在以煤炭为主的化石燃料大量消耗基础之上的我国能源消费格局,难以避免地在很大程度上以高资源消耗和高环境污染为其特征。为了摆脱这种传统的发展模式,近年来我们已做出了巨大努力并获得了重要进展。在21世纪,我们必须从中国基本国情出发,对能源、资源和环境进行整体化的考虑和部署,建立符合中国国情的"资源节约"与"环境友好"型的能源供应与消费体系,以实现国民经济的可持续发展。
1.提高效率,节能优先
1980年我国政府确定了"开发与节约并重,近期把节能放在优先地?quot;的能源方针。1986年国务院颁布"节约能源管理暂行条例"。1997年国家颁布了"中华人民共和国节约能源法"。1981年至1998年间全国节能投资累计1363亿元,全国累计节能约8.34亿比的仅国家投资和贷款形成的节能能力即达到9.03亿比./年。但是,我国节能潜力仍十分可观。我国1997年能源系统总效率为10.3%,只有发达国家的一半。同年,我国11个主要行业的33项重要产品(其总能耗占工业交通部门总能耗的82%)平均能耗比国际先进水平高出46%。而全国所有产品生产用能同国际先进水平相比,每年多消耗的能源约为3亿tce.。我国建筑用能量达到了3.4亿tce/年(1998年),占当年全国商品能源和生物质能消费量的22%。我国采暖能耗比相同气候条件的发达国家高出3倍,建筑节能潜力十分可观。节能不但降低了成本,推动了技术和管理水平的提高,而且减少了对生态环境的污染。
2.使用优质能源,优化能源结构
在化石燃料中石油和天然气不但有较高的能源效率,而且SO2、NOx和CO2的排放均大大低于煤炭。天然气的燃烷基本上不产生固体颗粒和SO2,是比较清沽的能源。但我国的能源结构以煤为主,1999年天然气和石油所占比重分别只有2.2%和23.2%。同世界一次能源消费结构相比,这一比率分别为23.5%和39-5%(1996年)。天然气已成为人类首选的优质清洁化石能撅,正逐渐取代石油而成为全球能源消耗的主体。我国实施"西气东输"后,将为大城市能源结构的优化创造条件。
3.积极开发可再生能源
世纪之交,人类正开始从化石能源逐步向可再生能源过渡,这一发展趋势正推动着人类第三次能源结构的大调整。太阳能、风能、地热能、生物质能和海洋能都受到很大重视。我国拥有世界最丰寓的水力资源,开发水电具有独特的优势。1999年,我国水电装机容量已达7297万kW,但只占水力资源的11%。配合西部大开发,重点开发西部水力资源,实现"西电东送",具有重要战略意义。我国生物质能可开发资腺量约7亿tce,1998年作为非商品能源其总消费量达2.22亿比,占一次能源总量的14%。我国太阳能热水器1998年的产量(400万m2)和保有羹(1500万m3),均居世界第一位,技术水平己位于国际前列。可再生能源比较适合应用于分布式冷热电联产的供能系统。可再生能源的应用需要有政府政策的支持,并且要进一步加强科技开发的投入。
4.积极发展洁净煤技术
我国以煤为主的能源结构难以在短期内改变,大力开发沽净煤技术是我国能源工业面对的巨大挑战。煤炭的洗选加工、煤炭的燃烷与污染控制(包括先进的烟气脱疏技术、低NOx燃烧技术、硫化床燃烷技术、燃煤高超临界发电技术和燃煤联合循环发电技术)、煤的气化与液化技术等,都需要巨大的投资和长期的努力。用煤制取二甲醚(DME)的技术基本成熟,产品在经济上有竞争力,是一种可以替代柴油和液化石油气(LPG)的清涪燃料,值得积极研究和发展。
5.大力发展我国能源环保科技与产业
能源消费带来的环境问题也为我国发展相应的能源环保技术和产业带来了挑战和机遇。能源结构的调整创造了巨大的市场,也为高科技产业的发展提供了机会。燃料电池、电动汽车、高效三元汽车尾气催化反应器、新型热泵、高效蓄能和建筑节能技术等都具有巨大的发展空间。为了消除能源消费产生的SO2和Nox,采用光催化技术是改善空气质量行之有效的方法。图5给出了北京工业大学研制的光催化涂料消除上述有害气体的实验结果.这些高新技术的产业化将有利于经济的发展和环境的改善.
5.3全球变暖与中国能源发展
朱斌 王珏
(中国科学院科技政策与管理科学研究所)
-、气候变化的真实性和不确定性
1.气温是气候变化的重要标志
政府间气候变化专业委员会(IPCC)是一个独立从事全球气候变化科学活动的国际组织,1988年由世界气象组织和联合国环境规划署联合建立。2001年元月17日,IPCC第一工作组提交的研究报告指出,1861年以来全球平均地面温度呈上升趋势,在20世纪升高了0.6℃左右。全球范围内,20世纪90年代可能是最暖的10年,1998年是自1861年有仪器观测记录以来最暖的一年。地球明显变暖的这100年,正是人类社会走进工业化的时期。
地球表面温度升高与温室气体浓集密切相关。按温室气体对变暖作用的大小排列CO2居首位。气候变化的模型表明,如果大气中CO2的浓度增长1倍,地球表面将增温1.5-4.5℃(图1)。南极冰层测定表明,目前CO2浓度高于过去160 000年中的任何一个时期。CO2浓度变化的数字在美国夏威夷Mauna Loa进符的测定中得到详细的证实。工业革命前大气中CO2的浓度是280ppm.(百万体积分之一),目前已升至380ppm。按世界目前的排放率估计,21世纪中期CO2的浓度将比工业革念前翻一番。
地球变暖的最直接后果是海平面上升。近百年来海平面平均每年升高1.0~2.5mm,世界直接受到威胁的国家己达37个。地球变暖对人类社会的影响还反映在两方面.-是对地球气候和生态系统平衡的破坏;二是直接影响到农业生产,对气温适中、雨量偏少的大部分地区,气候变暖将使农业大幅度减产。地球变暖如果超越自然变化幅度,其影响将十分巨大而且无法估量。
2.气候变化的不确定性
地球表面气温变化是一个非常复杂的过程,影响地球气温的各个子系统(如海洋、植被、云层等)又都是十分复杂庞大的系统。因此,在目前顶测末来地球气温变化时,存在着一系列不能确定的因素。这些不确定性主要包括.①温室气体。温室气体产生和释放的数量,它们在空气中的化学作用以及它们如何影响气候变化。②云。云的基本构成、消散和放射特性,这些特性将影响大气中的温室效应。③海洋。在海洋和空气之间、在海洋上层和深层之间以及在海洋中的能量交换和转移,它们控制全球气候变化率和区域变化的模式。④极地冰层。它影响海平面升高的预测。由于人们对以上系统还缺乏足够的认识,因而在预测未来气候变化的时间、大小和地区模式方面存在着许多不确定性。科学家们正在呼吁进一步加强国际合作'并且己经开展了许多国际合作项目,以期克腋和减少全球变化中的不确定性。全球变化中的不确定性,仅仅表示,由于科学研究的限制,人们目前还不能了解海洋、云以及其他方面对气温变化的具体影响,不能给出末来气温的准确变化。但是,它并不动摇人类活动导致温室气体增加,进而导致全球气温增高的结论,也不否认矿物能源燃烧是温室气体主要来源的看法。
二、矿物能源消费和温室气体
1.CO2排放与温室效应
CO2是最重要的温室气体。公元1000~1800年间,CO2浓度为270-290ppm[1],1800~1900年间,上升了150ppm,1990年CO2浓度达到360ppm左右,大约比工业革命初期高28%,每年平均增加1.5ppm。1992年,全球排放CO2共264亿t,其中223亿t(84%)来自工业活动导致的排放。预计随着经济发展和人口增加,CO2浓度将以更快的遮度增长。
空气中CO2浓度的变化受到矿物燃料的排放、森林砍伐与土地利用的变更、空气中的累积、海洋的吸收与非均衡作用等因素的影响。人类活动对CO2浓度的影响,主要来自三个方面因素.矿物燃料的消费、森林砍伐与土地利用的变更、水泥工业生产。由于矿物燃料的利用,1860~1910年和1950~1970年间,CO2排放的年增长率约为4%。
对于CO2浓度的历史分析,IPCC得出这样的结论是:18世纪浓度的上升是缓慢的,19世纪有较快的速度,20世纪 50年代以后出现了急剧的增长。CO2浓度上升的曲线和人类社会大量开发矿物能源相呼应。从19世纪后叶开始直至现在,矿物燃料的生产和消费几乎也是直线上升。当1973年世界石油危机发生时,CO2浓度在高增长期后出现第一次波动,年增长率从4%下降到2%,1979年又开始回升。凡此种种,说明大气中CO2浓度与矿物能源利用有着密切的关联。
2.矿物能源消费与CO2排放
按目前颈测,CO2浓度的这一增长,会导致地球均衡变暖0.45~1.3℃,其中矿物燃料贡献率为80%左右。煤炭、石油和天然气是排放CO2的主要贡献者。根据美国《油气杂志》统计,1999年世界一次能源消费(不包括生物质能)约为12 190.9Mtce(百万吨标煤)[2]。其中,石油占40.6%,煤炭25.0%,天然气24.2%,核电7.6%,水电2.6%,矿物燃料在能源消费总数中占89.8%。美国是世界上消费能源最多的国家,占世界能源消费的1/4,其能源结构是,石油占40.0%,天然气25.2%,煤炭24.6%,核电9.0%和水电1.2%。中国占世界商品能撅消费的8.8%,为美国的1/3。按一次能源消费总量计,世界前10名国家依次是美国、中国、俄罗斯、日本、德国、印度、法国、加拿大、英国和韩国。
1997年CO2排放的前10名国家见表1。
日本能源经济研究所2000年发布的报告,列举了世界上CO2排放的国家次序,前10名是美国、中国、俄罗斯、日本、印度、德国、加拿大、意大利、韩国、法国。CO2排放量的按国家排序,在IPCC、美国国会技术评估办公室、美国橡树岭国家实验室等组织的报告中,虽有差别,但差别不大。美国、中国和俄罗斯列在前三位,与他们作为世界前三位的能源消费大国相对应。中国能源消费的最大特点是煤炭占绝对优势,中国是世界上仅次于美国的煤炭生产国、消费国和CO门排放国。据1992年美国国会技术评估办公室的估计,2030年中国煤炭的消费将达到30亿t,为1992年煤炭消费量(8.85亿t)的3倍,届时燃煤排放的CO2,将达10亿t。图2为1971年到1997年中国CO2的排放量[10]
三、CO2减排的国际讨论
1997年,第三次世界气候大会在日本京都举行,大会通过了限制温室气体排放的《京都议定书》。议定书共包括有三种机制:温室气体排放交易(Emission Trad-ing),共同执行(Joint Implementation)和清沽发展机制(Clean Development Mecha-nism)。议定书中对发达国家规定了温室气体减排的具体指标,对发展中国家没有给出具体的减排要求。在2008~2012年间,38个主要工业国的CO'等6种温室气体排放量必须在1990年的基础上平均削减5.2%,其中美国削减7%,欧盟削减8%,日本和加拿大分别削减6%。发达国家可以通过清洁发展机制向发展 中国家投入资金和能源技术的援助,由此在发展中国家实现的温室气体减排可以折算成发达国家自身的减排指标。
2001年3月,布什政府以《京都议定书》会损害美国的经济利益为由,断然拒绝执行该协议,声称《京都议定书》对美国的规定过于严格,会对国家经济造成显著的影响。布什政府还宣称,科学上对地球温暖化的研究还不够充分,尚不清楚气候的自然波动对全球变暖的影响程度,不知道气候在将来会如何变化以及人类活动将如何影晌气候,因此首先是加强全球变暖研究,然后再采取相应措施。同时认为,对中国、印度等发展中国家没有规定具体减排指标,使执行《京都议定书》的有效性值得怀疑。美国政府提出的关于气候变化的具体计划为:要求国家航空与航天局(NASA)在今后三年内投资1.2亿美元以上建立气候模型;要求成立一个包括阿莫科石油、壳牌以及谢佛罗恩等能源公司组成的国际小组,通过发展技术,降低矿物燃料消耗,削减CO2减排成本;推进政府与民间合作伙伴计划,研究土地的使用和利用森林,来更有效地储备二氧化碳。
与此相反的是,欧盟举起了稳定全球气候的大旗,为使这一进程走上正轨而做出了很大牺牲。许多发展中国家也力主按时执行《京都议定书》。2001年10月29日到11月10日在摩洛哥中部名城马拉喀什召开了联合国《气候变化框架公约》第七次缔约方大会。在会议中,俄罗斯、日本、加拿大和澳大利亚4国仍坚持对一些间题提出的异议,其中俄罗斯要求将其国内森林植被能够抵消的温室气体减排量由原定的每年1760万t改为3300万t,而日本则反对给《京都议定书》的"弹性机制"(即所谓的"减排配额交易机制")附加限制条件。发展中国家和欧盟最终决定以大局为重,同意对上述4国做出非原则性妥协。经过修改的《京都议定书》的执行协议随后被大会一致通过。这项执行协议为世界各国正式批准4年前通过的《京都议定书》铺平了道路,具有相当重要的意义。按规定,如果批准议定书的国家达到足够多数,即这些国家的温室气体排放量的总和达到世界总量的55%,《京都议定书》将成为一份对所有签约国都具有约束力的法律文件,并于2002年正式生效。
四、对策与行动
中国是一个发展中国家,工业化和居民消费水平都有待进一步提高,相应的能源消费将持续增长,不可能像发达国家那样实施限制CO2的政策和目标。但是,中国在发展经济的同时,努力减少温室气体和CO2的排放既符合国家利益,又对保护全球生存环境有贡献。因此,为降低CO2的排放,应以低碳排放的能源去替代高碳排放的能源,最终建立我国的非碳能源体系。这可以从以下几个方面进行。
1.加强节能,提高国家总体能源效率
我国煤炭资源储量丰富,是世界主要产煤大国之一。经探明,地下深度1000m以上的保有储量己超过11 000亿t。1999年原煤生产10.5亿t,居世界首位。今后即使年消耗量达到20亿t,几百年也用不完。表2给出了矿物能源资源的可开采年数,可以看出,作为能量资源,煤炭今后将担负着重要的任务[14]。
目前,我国能源工业基本上已形成了以煤炭为主、多能互补的工业体系,一汰能源生产和消费的65%左右为煤炭。这个格局在今后几十年中不会有大的改变,在
今后20年内,中国将进一步发展煤炭工业。但是,以煤炭为主的矿物能源消费的增长,将使中国温室气体和CO2的排放在末来10年内有明显的增长,在随后的20年有可能趋于平稳,2030年将达到相当于美国目前排放的水平。表3是本文第一作者在1992年给出的末来30年内中国温室气体和CO2排放的预测[15]。
提高能源效率和节约能源将缓解中长期能源供应压力,有效缓解环境压力和增强经济竞争力。在全球变暖的背景下,发展能源的洁净与高效利用技术,提高能源效率,具有特别重要的意义。
2.以CO2低排放量的能源代替高排放量的能源
石油、天然气是优质能源,也是CO2低排放能源。努力以CO2低排放量的能源代替高排放量的能源,将显著降低CO2排放量。中国一方面耍积极勘探和开发国内石油、天然气资源,另一方面还要实行开放式的国际能源利用战略。
天然气事业在世界上已经取得了辉煌的成就。目前,天然气在能源结构中稳定在20%以上,是俄罗斯的第一大能源,美国的第二大能源。1999年俄罗斯天然气产量达5510亿m3,美国为5405亿m3,分别是我国(252亿m3)的22倍和21倍。2000年世界天然气的探明剩佘可采储量超过石油,显示出天然气可能超越石油成为世界第一大能源的潜力。21世纪前叶,估计天然气将继续增长,特别是在俄罗斯和富有地下资源的发展中国家,如墨西哥、阿根廷、委内瑞拉、阿尔及利亚等。
我国天然气的消费量只占全国能源消费量的3%,主要原因是地质勘探工作没有及时跟进。-般说来,天然气和石油的地下储量是相当的,有一份石油就有一份天然气。美国《油气杂志》2000年公布的世界天然气和石油的探明储量,石油是1402.82亿t,天然气是1 493811亿m3。在计算上,1000m3天然气相当于1t石油。全世界的油气比是1.15,石油略多于天然气。但就国家而言,由于地质勘探工作的不同,情况相差甚远:印度是0.98;英国是0.89,基本持平;美国是0.63,气比油多;俄罗斯是0.14,气比油多得多。而我国是2.39,天然气的探明储量比石油少得多,这说明我国天然气的资源潜力很大,有可能成为新突破口。
3.加快发展清洁替代能源
核能、水电、太阳能、风能等能源不含碳原子,在利用后不排放CO2,被称为非碳能源。扩大非碳能源在能源结构的比重,将显著地减少CO2排放。
在核电发展战略上,我国将进一步采用先进的核电技术。目前,我国已经运行的核电机组绝大多数采用压水反应堆(只有1998年开工的秦山三期核电站引进加拿大的重水堆机组),自己研制的30万kW级已并网发电,60万kW级正在建设,百万kW级也在申请立项。从国外引进百万级核电站,将为我国研制当代大型核电站提供有益的借鉴。今后,为了提高核电的安全性,降低发生堆芯熔化和放射性外溢事故概率,耍尽快发展更先进的轻水堆技术。还需耍加强对快中子增值反应堆的研究和开发,提高铀资源利用率。
我国的水能资源仅次于煤炭,多于石油、天然气,是第二大能源资源。目前,我国开发利用的水能仅占总水能资源的10%。如果到2030年水能资源的开发达到70%,那么水电在我国能源结构中就可以从目前的5%提高到9%。
太阳能是世界最大的能源资源,目前被人类有效利用的还很少。太阳能的利用主要在两个方面,-是将太阳能转化为电能,-是将太阳能转化为热能。光伏电泡是将太阳能转化为电能的一种装置,在西藏、青海、宁夏等日照时间长的地区,适合开发光伏电池技术。这种技术目前还处于待开发阶段,关键在于寻找价格禽适、性能稳定的光电转换材料。
风力场是世界能源界的新景观。大型风力发电机组及其先进制造技术,加上适当的选址,已经使风力发电的每kW.h造价逐步下降,供电价能够与燃煤电价形成竞争。我国东南沿海、新疆、内蒙古等风力稳定的地区有发展风力发电的优势。风力发电机组产业化要上新台阶,关键技术是研制500~1000kW大型风电机组,并翅成自行设计和自己制造的能力。
4.加强煤炭利用技术创新
在今后二三十年或更长时期内,煤炭仍然是我国的主要能源。煤炭的使用不仪向大气中排放CO朽而且产生大量的烟尘和二氧化硫(SO2),后者是形成我国酸雨的主耍来源。因此,实施煤炭利用技术的革新是保障我国未来能源供给和减排CO2以及其他污染物的关键所在。
煤炭利用技术革新主要有三个方面:-是煤炭燃烧,二是煤的气化,三是煤的液化。涪净煤燃烷目前己引起我国有关方面的重视,在末来不太长的时间内,SO2、NOx的排放可望得到控制。循环流化床燃烷和一体化煤气化联合循环在技术上都已成熟,且具有商业价值。煤的直接液化和间接液化技术虽然在世界上已有80年的历史,但至今这种技术仍未取得商业上的竞争力,关键是使它的成本降到相当于石油的水平。一旦获得进展,煤炭将焕发青春,中国也无需担忧未来石油的大量短缺。中国科学院和其他国内科研机构已将此作为近期奋斗的目标。
5.实施相应的政策措施
在税收政策方面,可以实施三种新税种:①-般能源税;②碳税;③初次购买税。-股能源税是征收的矿物能源税,碳税则是针对单位能源中碳的排放,这两种税都是燃料税,实施后将有利于能源效率的提高和降低能源消耗量。碳税的实施还能够促进能源系统从高碳排放矿物能源向低碳或非碳能源转化,也将有利于我国天然气和核电的发展。对于国家支持的高耗能产业可以减免税。初次购买税是从消费者的角度来推进能源向新体制过渡,达到提高能源利用率和降低碳的排放。
在财政刺激政策方面,政府可以使用多种财政刺激方法,如降低税收、发放低息贷款、直接资助等,达到推广CO2低排放的能源和能源技术的政策效果。
在市场许可证制度方面,政府规定能源消费的碳排放量。能源消费者可以购买各种类型的能源许可证。如果能源需求上升,许可证价格将上升,从价格上反映低排放碳的优势。许可证一般适用于大的燃料消费者,可以公开转让。芙国为限制消耗昊氧层物质(CFC)的排放,已经采用了这种方法。
在规章标准方面,要制定各种规章标准,如采光标准、汽车发动机效率、建筑物规章等,有效地排除和降低CO2的高排放行为。
在研究、开发和管理方面,推进CO2低排放和非碳能源的新技术,加速采用新技术的试验和商业化过程。事实上,由于气候变化的长期性,研究和开发显得尤其重要。在信息交流和教育方面,耍从战略高度提高能源使用部门决策者的水平,帮助他们考虑如何购买、和用和利用能撅。这种手段还能有效地提高全民对利用能源、降低CO洲排放的知识水平。
需要指出的是,无论从现有能源利用中降低CO2的排放,或以低碳排放能源去替代高碳排放的能源,或开发新的非碳能源,都需耍数额巨大的投资。对于一个大围-坟笺投资可能要上百亿直至上干亿美元,我们对此应有清醒的认识。
5.4 核电的现状与前景
段异兵
(中国科学院科技政策与管理科学研究所)
核电是一个备受争议的话题。在过去10年中,核能已从世界发展最快的能源沦为发展最慢的能源,远远落后于石油甚至煤炭之后。在欧洲,许多国家正在讨论如何迅速关闭其核电厂。美国从1976年起,就不再批准建设新的核电站。亚洲是惟一的核电工业兴盛地区,但也面临着公众日益强烈的反对。究其原因,高成本和核恐惧是核电的致命弱点,影响了核电的市场前景。核工业的支持者认为,核电厂可以避免燃煤发电厂大量温室气体的排放,也不必像水电那样占用宝贵的耕地和进行大规模的移民,新一代核反应堆还将在建设成本和安全控制方面取得历史性的突破。本文讨论核电的现状和前景,认为中国应该保持核电政策的稳定性。
-、世界核电现状
1999年,全世界有29个国家的433个核电站运行川。其中,美国104个、法国59个、日本53个,分居前三位。从核电占电能的比例看,法国以75%居首位,超过40%的还有立陶宛、比利时、保加利亚、斯洛伐克、瑞典、乌克兰和韩国。
20世纪70年代核电技术趋于成熟和中东战争引发的石油危机,导致世界出现了核电站建设高潮。许多国家把核能视为可以保证国家能源安全的能源类型,从而使1980年的核电消费比1970年增长了7倍。但是,1979年美国三里岛事件严重打击了美国建设核电站的信心。1986年前苏联切尔诺贝利核电站泄漏事件更是震惊世界,因此在西欧引发了众多"反核"甚至是"废核"的行为。1999年日本东海村铀转化工厂发生了继切尔诺贝利核电站泄漏事件以来最严重的一次事故。对核能安全的高度关注使1990年核电消费仅比1980年增长两倍,而整个90年代的增长幅度只有20%左右。《2001国际能源暸望》(IEO 2001)预计([1],第84页),如果以中等增长幅度计算,1999~2020牢核能泪费总增长为8%。
除核电安全性影响其发展以外,禁止核武器扩散和昂贵的建设费用也是重要因素。60年代以来,很多国家通过开展民用核技术研究,研制出核武器。印度和巳基斯坦相继引爆原子弹被视为典型事例。伊朗1974年在德国的技术协作下开始建造核电站,在1979年的伊朗革命后,这一计划搁浅。"两伊"战争期间,伊拉克炸毁了伊朗尚末建成的核电设施。1995年,俄罗斯开始涉足伊朗核电站建设,但一直进展缓慢,投入运行还遥遥无期。在建设费用方面,由于核电设备制造和土建安装的质量标准高、安全设施多,加上投资周期长,核电的建设成本很高,每千瓦时的投资成本仅比太阳能和风能低。当利率较高时,很多国家投资新的核电项目都会慎之又慎,在那些化石能源丰富的国家尤其突出。
截止1999年12月31日的统计表明,工业化国家、前东欧/前苏联和发展中国家占世界核电比例分别是79.7%、13.0%、7.3%。芙国能源部能源信息中心预计(参考文献[1],第85页),到2020年这一比例将变为70.1%、10.8%、19.0%(表1)。这种变化趋势是根据各国目前运行与在建的核电站数目、各国核电政策和经济发展的用电需求推算出来的
二、核电区域发展状况
1.西欧
在西欧国家中,只有法国和芬兰有意继续扩大核电建设。2000年5月,芬兰贸易与工业部部长Sinikka Monkare宣布将支持建设一个新的核电站,理由是发展核电是芬兰满足《京都议定书》中减少二氧化碳排放目标的惟一途径。其他西欧国家大都不再发展核电,比利时、德国、荷兰、西班牙、瑞典、瑞士等国已经宣布要逐渐关闭本国的核电站。
欧洲"反核"运动由来已久。1987年,意大利举行全民公决,支持关闭三座运行中的核反应堆并搁置第四座核电站的建设。1990年开始拆除第四座核电站,从此进人"无核"国家行列。1978年,奥地利全民公决赞成全面废止核电。1999年又在其宪法中加上成为无核国家的条款。由于奥地利在西欧国家中离乌克兰最近,受切尔诺贝利事件危害最大,因此也反对邻国斯洛伐克和捷克进一步发展核电。当捷克2001年准各启动新建Temelin核电站的商业运营时,奥地利试图以阻止捷克加人欧盟为要挟。西班牙的社会党政府早在1984年就宣布对建造新核电站实行限制政策,社会党和共产党都支持关闭该国的核电站。预计西班牙在10年内将关闭现有的9个反应堆。
在欧洲风起云涌的"反核"浪潮中,核电大国瑞典和德国采取渐进式的"废核"措施。1999年瑞典47%的电能和德国31%的电能来自核能,这使得两国要谨慎对待环境主义的理想化要求。1980年,瑞典规定核反应堆40年运行寿期计划。1997年11月瑞典议会通过决议,将12座核反应堆中的两座(Barseback1和Barseback 2)率先列人关闭名单。Barseback1装机容量61.5万kW,1975年投入商业运营,计划1998年7月关闭,实际到1999年11月才正式关闭。 1977年完工的Barseback2计划于2001年7月关闭,但2000年8月瑞典政府又宣布推迟关闭时间。原因是自Barseback 1关闭后,瑞典被迫从丹麦的燃煤电厂进口电力以弥补国内供电不足,从而导致整个西欧增加了CO2排放总量。德国于2000年6月提出要结束严重依赖核电的局面,规定核反应堆32年运行寿期到2025年左右将关闭最后一座核电站。环境主义政党一绿党主张10年运行寿期,社会民主党的施罗德总理起初赞成20年运行寿期,后来与电力工业界达成32年的折中协议。
瑞士在1990年全民公决中,要求核反应堆寿期为10年。2000年10月,政府又决定推迟到20年,对现有的核反应堆也不列关闭时间表。主要原因是政府实在无法找到既关闭核电站又满足CO2减排目标的两全之策。
总的说来,西欧国家面临的共同问题是如何解决关闭核反应堆一满足电力需求-减少温室气体排放之间的矛盾[7]。
西欧在水电基本利用殆尽、非水电可再生资源前景不明的情况下,关闭核反应堆势必要增加化石能源的消费,这将使《京都议定书》的有关承诺成为一纸空丈。
2.东欧和前苏联国家
东欧和前苏联国家有18个国家59个核反应堆处于运行中,其中25个被认为低于西欧最低核安全标准。七国组织在90年代曾提供近20亿美元,支持东欧增强核电站的安全控制。1992年,国际原子能署对原苏联设计的RBMK型反应堆(石墨慢化、轻水冷却、堆内沸腾反应堆,存在设计缺陷,并导致切尔诺贝利事故)进行了安全性考察。17座RBMK型机组中,切尔诺贝利四号在1986年已经毁坏,二号在1991年关闭。而切尔诺贝利一号和三号在2000年12月关闭,剩下的13座还在运行中,其中11座在俄罗斯,2座在立陶宛。
为了在2005年前关闭立陶宛的RBMK型核电机组,欧盟承诺提供2亿欧元以弥补其财政负担。保加利亚和斯洛伐克也得到了类似的援助,以关闭各自安全性差的核电站。这也成为两国加人欧盟的默许条件。
3.北美
1999年美国核电占全部发电量的20%,相当于减少6.7亿t燃煤导致的CO排放。核能运营业绩突出,核发电成本1999年降到最低水平,平均为每度电1.83美分,再次低于燃煤电厂(每度电2.07美分)[2]。核电机组容量因子(plant capability factor)由1989年的62.2%上升到1999年的85.5%,使美国在仅增加2%的核电能力基础上,增加发电38%。但美国希望到2020年将使核电比例从1999年的20%降到12%以下。
较为特殊的是,1976年美国核准最后一个核反应堆建造许可后,-直没有新建核反应堆。按照70年代颁布的40年运行寿期规定,到2015年所有核反应堆都将关闭,而2000年就有将近1/3的核反应堆已运行30年以上。许多核电站开始向芙国核管理委员会(NRC)提出申请,要求延长运营期限。2000年3月,巴尔的摩Gas&Electric公司率先得到NRC的延长运营期限许可,所属Calvert Cliffs一号和二号机组获延长20年运营许可,预计到2034年和2036年关闭。2000年5月,Duke Energy的3个核电机组也得到20年延期许可。到2001年1月,约40%的美国商用核电站提出了延期申请。
获得延期许可并非意昧着核电公司就一定会继续运营反应堆。事实上,申请核发一个核反应堆延期许可约需2千万美元费用,要比数十亿美元的建设费用少得多。很多核电企业获得延期许可的主要目的是增加其出售运营权时的吸引力。
1997年以来美国核电工业开始出现并购热潮。英国不列颠能源公司与美国PECO能源公司组成合资公司一AmerGen,-举收购5个核电站,并计划要收购20个。Entergy公司也宣布在末来5年内用17亿美元去经营12~15个核电机组。2000年10月,PECO与Unicom合并组成EExelon,拥有美国17%的核电能力,年收人120亿美元,是美国最大的核电实体。Entergy~与FPL合并后,拥有美国11%的核电能力,成为第二大核电实体。预计5家最大的核电公司今后将拥有美国40%的核电能力。
核电工业的并购热潮原因很多,从经营角度看,规模扩大有利于集中配置资源,节约运营和管理成本;电力价格看涨而核电不受燃料价格影响、不必额外负担温室效应及《京都议定书》相关费用的优点,也促使有实力的公司扩大核电经营规模,积极筹资进行反应堆的更新和升级(如换装新型设备和开发先进反应堆型)。美国政府也积极支持开发先进核反应堆型,制定了其设计认证标准,批准了三种先进的反应堆型,并大力向海外市场推广。
另两个北美国家,加拿大和墨西哥也有核电站运营。加拿大1997年底和1998年初关闭了7座老式核电站,目前有14座还在继续运行。墨西哥经过20年建设,1995年开始运行两座核电站,但其中的一座近年来一直因安全性能不佳而受到批评。
4.南美
在南美,阿根廷和巳西有核电站运营。巴西的第一座核电站一62.6万kW的Angra-号1985年投入商业运营。124.5万kW的ANGRA二号于1981年开始建造,2000年7月投入运营,原定建设费用是13亿美元,实际费用达90亿。Angra三号是巴西惟一在建的核电站,预计2006年投入运行。巴西希望到2020年,核能比例达到6%左右。阿根廷有三座核反应堆,约占9%的发电量,政府准备以远低于建设成本的价格,实现核电站的私有化,但尚末成功。
古巴在1983年开始建造两个核电机组,总装机容量83.4万kW。前苏联解体后,核电建设计划中止。1998年,古巴总统卡斯特罗宣布无限期推迟核电项目建设。2000年,正式决定停建。
5.亚洲
亚洲有90个核电机组运行,总装机容量6400万kW,2/3在集中在日本(53个)。1999年9月30日,日本东海村铀转化工厂发生临界事故,造成3名工人死亡。尽管日本民众对原子能工业的安全性不断置疑,但日本政府和电力界仍希望延长现有核反应堆的运行期限,新建商业核反应堆。IEO2001预计,日本核电比例将从1999年的33%增长到2020年的38%。
韩国有16个核电机组运行,4个机组在建。1999年核电发电979亿kW.h时,核电比例40%。顶计到2020年核电比例将维持在40%左右。
中国大陆有3座核电站投入商业运营,分别是是秦山核电站、大亚湾核电站的一号机组和二号机组,总装机容量210万kW。在建中的有秦山二期、秦山三期、岭澳、田湾各两个机组,总计640万kW的核电站。颈计到2005年核电装机容量达到850万kW[幻。国际上经常引用1997年《中国日报》报道"中国到2020年前将投资600-1000亿美元建设核电站",并估计中国核电比例将从1999年的2%增长到2020年的6%。
中国台湾地区有3座各两个机组的核电站,核电装机容量是488.4万kW。1999年核电发电369亿kW.h时,核电比例26%。在建的第四座核电站有两台130万kW机组,预计2005年投入运营。 印度早在1954年就开始进行核技术的研究与开发。1999年有11个核电机组投入运行,3个机组在建。印度拒绝加人国际原子能协议,在运行中也存在许多困难。
巴基斯坦有两个核电站。第一座有12.5万kW装机容量,于70年代在卡拉奇建造,使用的是加拿大制造的核反应堆。第二座有30万kW装机容量,1993年在旁遮普邦的恰希玛建造,是中国设汁建造的第一个出口民用核电工程,2000年5月3日反应堆首次达到临界状态,6月13日核电站首次并网发电获得成功,8月22日反应堆达到满负荷运行。国际原子能机构对恰希玛核电站进行了审查,认为这个核电站符合国际标准,运行安全可靠。
6.非洲
南非是非洲惟一拥有核电站的国家。各92.1万kW的两座反应堆处于运行中,1999年核电比例为7%。1993年,南非开始研制新型的模块式球床反应堆(Pebble Bed Modular Reactors,PBMR),预计在2003年开始建造11万kW的机组,2005年投入运行。这一堆型有许多优点,引起了美国和英国核电公司的兴趣。英国不列颠能源公司和美国Exelon公司分别买下22.5%和12.5%的股份,Exelon计划2010年前PBMR在美国投入商业运营。
三、新一代核反应堆的研制
核燃料、慢化核和冷却剂是核反应堆的主要材料,这三种材料不同的组合,产生出各种堆型。以普通水做慢化剂的轻水堆(压水堆和沸水堆)是目前使用最多的堆型,占到所有核反应堆的近80%(表2)。此外,还有重水堆(只有加拿大发展的坎杜型压力管式重水堆核电站实现了工业规模推广,我国秦山三期即引进加拿大技术)和石墨堆。就冷却剂而言,有水冷和气冷之分。
为研制出有更好的经济性、安全性、核废物处理能力和防止核扩散的新一代核能系统,美国、加拿大、日本、法-德、俄罗斯、南非都积极进行新堆型的研制(表3)
1.水冷堆
目前轻水堆本身是很安全的,但过多地依赖于操作和维护,在确保恃续运行的安全性方面仍存在隐患,对于技术水平较低的发展中国家尤其明显。因此,发达国家开发的新型核电技术都着力提高安全性能,如具有更多的"非能动"安全特征,不必通过主动控制或操作干顶来避免核事故。
2.气冷堆
高温气冷堆是一种安全性好、发电效率高、系统简单的先进反应堆堆型。它的用途广泛,除了发电外,还可进行煤的液化和气化,稠油热采、制氢等,有着良好的应用前景。我国首座、世界第七座高温气冷实验堆在2000年12月21日达到临
界。该实验堆热功率为10MW,采用全陶瓷包覆颗粒燃料元件,全陶瓷堆芯结构捌料,用惰性气体氦气作冷却剂,具有阻止放射性外漏的多重屏障与非能动的佘热扫出系统,具有负的反应温度系数。这一实验堆由清华大学核能技术研究设计院研傲完成,被认为代表了当前高温气冷堆的最新成就。
南非国营电力公司(ESKOM)开发的球床模式高温气冷堆(PBMR)被专家公切为最有希望满足新一代核能系统要求的堆型,与我国的高温气冷实验堆的原理絮似。PBMR单机热功率为265MW,输出电功率是110MW,热效率可达42%~50%。使用球状燃料,直径60mm的石墨球中分散有15 000颗直径为0.5mm的钥浓(5%~6%)UO2颗粒,颗粒外包覆耐高温碳化硅等涂层后,直径达1.0mm。在直径为3.5m的立式圆简状结构中,内装33万颗石墨球燃料。采用情性氦气作冷肉剂。事故状态下,堆芯热量的导出采用非能动方式,排除了堆芯熔化事故,安全性好。由于PBMR采用低浓铀燃料(原子弹必须用高浓铀),符合美国极力推行的核不扩散政策,所以,美国支恃PBMR商业化,尤其是在发展中国家推广。
我国要通过技术引进、消化吸收和跟踪国际前沿,为未来二三十年核电发展奠定基础。
四、核聚变
核聚变能是一种安全、不产生放射性物质、原料成本低康的能源,是人类未来能源的希望。但是,要实现受控核聚变难度非常大。关于"聚变能成为一种能源方式",乐观的估计是50年以后。目前,聚变研究集中在磁约束聚变和惯性约束聚变两种方式[6]。磁约束聚变研究分为六个阶段,即.①原理性研究阶段;②规模实验阶段;③点火装置实验阶段(氛氟燃烧实验);④反应堆工程物理实验阶段;⑤示范反应堆阶段;⑥商业化反应堆阶段。目前正在进行的是第三阶段,酝酿向第四阶段过渡。惯性约束聚变要经历点火演示、高增益演示、工程演示和商业化演示四个阶段,目前的研究主要集中在驱动器的研制和靶物理,为点火做准备。
在过去半个多世纪的聚变研究中,高温聚变等离子体,等离子体技术得到了长足的进展。高质量的真空条件,把等离子体加热到热核温度,排除聚变反应产生的核灰,发展强大、可靠的大型磁体系统以及控制能量和粒子出流等技术得到了可观的发展,并应用到各种等离子体约束装置中。这些研究成果对等离子体科学与技术的发展也产生了影响。多种副产品在许多重要方面影响我们的日常生活。例如,超导磁体技术的发展,微波技术,包括微波脉冲雷达、精密激光切割、、等离子体加工、计算机芯片和电路的EUV乎面印刷术、材料涂层术、核废物处理、等离子体电子学、新型和改良型材料以及生物医学应用等,都与等离子体技术有关。聚变技术研究与发展中导致的许多创新概念,如对材料辐照效应的基本认识,在合金设计中结构与材料的相互关系,液体金属的MHD现象,材料在空气和蒸汽中的挥发、融化及其所产生的等离子体的辐射冷却、凝结和再沉淀等,促迸了对材料科学与工程的进步。
自聚变研究早期以来,国际合作一直是聚变研究的标志,聚变技术方面更是互通有无。事实上,聚变技术的研究与开发是最体现合作精神的国际合作。保恃和加强国际合作是人类最终取得核聚变突破必不可少的因素。
关于支恃聚变研究,也存在一些有待澄清的问题。例如,美国国会对聚变研究拨款时就提出质疑,"当前美国的聚变研究究竟是科学研究计划还是能源研究计划"在欧洲,很多公众以同等的态度看待聚变和裂变的安全性和环境效应。在I"反核"(核裂变)环境中,公众对聚变的接受程度将决定其存在空间。
五、结论
核电有不排放CO2等温室气体的环境优势,有原料价格稳定、能保证能源安全的优点,总体上安全性好、占地少、废料易于处理。因此,即使在"反核"热潮下,核电在今后相当长的一段时间里,仍将在混合型能源结构中占有一席之地。随着经济性更好、安全性更高、废料处理更完善的新堆型的问世,公众核社会团体将逐渐恢复对核电的信心。中国核电的基本出路是实现核电国产化,多数人主张实?quot;两步走"方针,即在2010年前采用当前世界上成熟的堆型,做到统一领导,统一规划,统一对外,推进国产化;2010年后发展符合国际标准的先进反应堆型。在基本方针确定后,任何摇摆和波折都是不利于中国能源事业发展的。