数说2020年全球核能发电

发布时间: 2020-03-26 12:01:26   来源:中国电力网  作者:庞名立

  核能发电(nuclear power)是用铀制成的核燃料在“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量热能,再用处于高压力下的水把热能带出,在蒸汽发生器内产生蒸汽,蒸汽推动汽轮机带动发电机一起旋转而发电,并通过电网输送给消费者。

  用核反应堆产生核能,需要解决以下4个问题:

  ⑴ 为核裂变链式反应提供必要的条件,使其反应得以进行;

  ⑵ 链式反应必须能由人工通过一定装置进行控制。失去控制的裂变能不仅不能用于发电,还会酿成灾害;

  ⑶ 裂变反应产生的能量要能从反应堆中安全取出;

  ⑷ 裂变反应中产生的中子和放射性物质对人体危害很大,必须设法避免。

  核能发电的能量来自核反应堆中的可裂变材料(核燃料)进行裂变反应所释放的裂变能。裂变反应指铀-235、钚-239、铀-233等重元素在中子作用下分裂为两个碎片,同时放出中子和大量能量的过程。反应中,可裂变材料的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出2~3个中子。若这些中子除去消耗,至少有一个中子能引起另一个原子核裂变,使裂变自持地进行,这种反应称为“链式裂变反应”。实现链式反应是核能发电的前提。

  核电站是一种高能量、低耗料的电站,此外,核燃料在反应堆内燃烧的过程中,同时还能产生出新的核燃料。核电站的基建投资高,但燃料费用较低,发电成本也较低,污染小。

  核电站发电与火力发电相比,核电的特点是:

  ⑴ 核能发电是清洁能源。核电站不排放有害物质,不会造成“温室效应”。

  ⑵ 核能发电是经济的能源。虽然核电站的比投资高于燃煤电厂,但由于核燃料的成本低于燃煤成本以及核燃料是长期起作用等因素,所以目前核电站的总发电成本低于燃煤电站。

  ⑶ 核能是可持续发展的能源。世界上已探明的铀储量约490万吨,钍储量约275万吨。这些裂变燃料足够使用到聚变能时代。

  聚变燃料主要是氘和锂。海水中的氘含量为0.034克/升,地球上总水量约为1.386×1018m3 ,其中氘的储量约40万亿吨,地球上的锂储量约有2000亿吨,锂可用来制造氚。按目前世界能源的消费水平,地球上可供原子核聚变的氘和氚,能供人类使用上千亿年。

  核能发电发展到2030年,进入第五代操作系统将会提供更安全、更可靠、更经济、更持续发展,见表可以看出,中国核电站已经自主研究开发的,并且已经进入第四代核电站,操作更加经济安全,排放废物更加少。

  核电站进程

  1979年的三哩岛核泄漏事故和1986年的切尔诺贝利核事故使美国放缓了建造核能发电厂的步伐。后来,核能在经济与环境两方面的益处使美国政府又开始重新考虑它。公众也对核能很感兴趣,随着不断飙升的油价,核能发电厂安全性的提高和符合京都议定书规定的低温室气体排放量使一些有影响的环境保护论者开始注意核能。有一些核反应堆已处于建造当中,几种新型核反应堆也在计划之中。

  核能是一种储量充足并被广泛应用的能量来源。如果用核能取代化石燃料来发电的话,温室效应也会减轻。国际间正在进行对于改善核能安全性的研究,科学家们同时还在研究可控核聚变和核能的更多用途,如制氢(氢能也是一种被广泛提倡的清洁能源)、海水淡化和大面积供热。

  21世纪后全球暖化等议题成为关注焦点,比尔·盖茨等一群企业家和科学团队认为核能是拯救暖化的唯一方案,这类观点认定其他绿能之类方法耗用的土地与单位电费太高,不能在全人类经济不崩溃的前提下终止暖化,盖茨旗下投资泰拉能源一直研发第四代反应堆兼顾安全性与廉价巨大电量的终极目标。

  中国国家政策认定核能是唯一兼顾经济发展与抗暖化的巨量电力方案,众多国有企业和民间资本投入研发,中华人民共和国核工业成为21世纪初期至今全球最大规模的核能工业建设。

  中国目前有2大核电公司:主要经营北部的中国核工业集团公司和主要经营中国南部的中国广核集团。中国通过国际热核聚变实验反应堆(ITER)计划参与的核聚变反应堆的开发,已经在合肥构建了一个被称为先进超导托卡马克实验装置(EAST)的试验性核聚变反应堆;以及研究和开发钍燃料循环作为一个潜在的核裂变替代方法。

  铀的来源

  铀在土壤、岩石及河流、海洋都可发现;甚至在人体和食品中都有痕迹量存在。但是浓缩的铀矿却只在很少的地方发现,一般是在坚硬的岩石中,如在地壳中占60%的花岗岩中,其铀含量可达百万分之四。

  自然界中存在的可裂变元素只有铀-235,而它只占天然铀中的0.7%,其余均为铀-238。在核电站中可将一部分铀-238转变为钚-239,同样,也可以将自然界中大量存在的钍-232转变为可裂变的铀-233,因此,估计核燃料资源时,必须考虑核燃料增殖这一因素。这样,核燃料的储量远远超过化石燃料,能长期满足核能发电的需要。

  天然铀的典型浓度

  各国铀储量

  铀储备量是指可供开采的铀资源储备,不计同位素。即使不考虑增殖反应堆所产生的副产品(例如钚),铀储备量中所蕴含的核裂变能量远大于地球上所有化石燃料(甚至包括甲烷气水包合物)的能量之和。有一些元素例如钍可以用来生成铀,并且副产品可以用于热发电。很多加拿大、格陵兰、西伯利亚和南极洲的地区因为永久冻土而没有进行勘探,其中可能含有大量未被发现的储备。

  2011年铀可采资源量为5327200吨U,2017年增加到6142600吨U。中国铀资源勘探从2011年的166100吨U增加到2017年的290 400吨U。

  本数据是OECD NEA & IAEA于2017年发布的。此储量包括可采储量和推断储量。

  2017年世界各国铀储量

  1945-2018年铀累积产量

  1945-2016年期间的铀生产可分为四个不同阶段:

  ⑴ 1945年至1960年代中期的军事时代,核燃料发电是核军备竞赛的附带条件。上世纪50年代,为了满足高浓缩铀和钚的需求,生产迅速增长。铀需求在1960年代急剧下降,作为回应,到1960年代中期产量减半。

  ⑵ 1960年代中期至1980年代中期。随着反应堆订单的扩大,民用核能快速扩张的时期见证了铀产量的回升。许多新矿山投产,通常由与北美、日本和西欧电力公司签订的长期合同承保。西方的生产在1980年达到顶峰,直到1985年都保持在年度反应堆需求之上。

  ⑶ 1980年代中期至2002年左右。到1985年,核建设计划被严重削减。为了建造更多的核电站,许多公用事业公司已经签署了铀合同。尊重这些创造了一个重要的悬置。随着矿山的枯竭,许多矿山减产或关闭。公用事业公司在不依赖新产品的情况下,通过减少大量库存来满足要求。由于1993年前苏联的铀进入西方市场,供应过剩的时间延长了。

  ⑷ 21世纪初至今。市场对需要新的初级生产以促进预期的核增长复兴的看法作出了强烈反应。这是在多年来一直面临不利经济条件、需要抵消不断减少和有限的二次供应的铀矿部门的背景下发生的。这一反应始于2003年,当时世界铀价格强劲上涨,一直持续到2007年(2003年初至2007年年中,现货市场价格上涨了13倍),但随后进入了向下调整,2011年福岛核事故更是加剧了这一趋势。自事故发生以来,铀价格已跌至有史以来经通胀调整的最低水平之一。

  1945-2018年铀累积产量

  2009-2018期间各国铀产量

  本数据是世界核能协会(WNA)于 2019年8月份提供的从铀矿生产(公吨U)的数据。

  世界约76%从铀矿生产的铀是来自哈萨克斯坦、加拿大、澳大利亚和纳米比亚。其中哈萨克斯坦铀生产占世界的比例最大,供应世界的40.6%,其次是加拿大(13.1%)和澳大利亚(12.2%)。中国铀产量较少,铀生产居世界第8位,占世界总量的3.5%。

  2009-2018年铀矿生产(公吨U)

  单位换算:68240tU=80472 tU3O8 ; 1 tU3O8=80472/68240=1.179

  铀矿开采法

  铀矿开采方法主要有露天开采、地下开采和原地浸出采铀三种方法。

  ⑴ 露天开采法。按一定程序先剥离表土和覆盖岩石,使矿石出露,然后进行采矿。此法仅用于埋藏较浅的矿体。

  ⑵ 地下开采法。通过掘进联系地表与矿体的一系列井巷,从矿体中采出矿石。此工艺过程比较复杂,在矿床离地表较深的条件下采用这种方法。

  ⑶ 原地溶浸采铀法(In situ leach,ISL)。通过地表钻孔将化学药剂注入矿带,通过化学反应选择性地溶解矿石中的有用成分—铀,并将浸出液提取出地表,而不使矿石绕围岩产生位移。这种采铀的方法与常规采矿相比,生产成本低,劳动强度小,但其应用有一定的局限性,只适用于具有一定地质、水文地质条件的矿床。

  采矿方法一直在改变。1990年世界55%的产量来自地下矿山,但到1999年,这一比例急剧下降,当时为33%。从2000年起,加拿大的新矿山又增加了产量。原地溶浸采铀法(ISL或ISR)采矿在总产量中的份额一直在稳步增加,主要是由于哈萨克斯坦,2018年占总产量的一半以上。

  2018年铀矿开采法

  传统的铀矿山有一个磨矿机,将矿石粉碎、研磨,然后用硫酸浸出,以溶解铀氧化物。在常规矿山的选矿厂或ISL操作的处理厂,铀在干燥和包装之前,通常用离子交换以U3O8形式分离。一些磨坊和ISL操作(尤其是在美国)使用碳酸盐浸出,而不是硫酸,这取决于矿体。用副产品法当铀作为副产品被回收时,铜或磷酸盐处理过程可能会更复杂。

  铀生产公司

  20世纪90年代 ,铀生产行业通过收购、兼并和关闭得到了巩固,但随着哈萨克斯坦的跨国所有权结构,这一行业再次多样化。超过一半的铀矿生产来自国有矿业公司,其中一些公司将安全供应置于市场考虑之上。2018年,全球前十大铀生产公司销售了全球87%的铀产量:

  2013~2015年世界铀生产主要公司

  随着哈萨克斯坦的跨国所有权结构再次多元化。超过一半的铀矿生产来自国有矿业公司,其中一些公司将安全供应置于市场考虑之上,全球总产量约有下降。2018年,全球前十大铀生产公司销售了全球80%的铀产量:

  2018年世界铀生产主要公司

  2018年最大的铀矿山

  2018年世界十大铀矿占据了全球总产量的51%。虽然加拿大雪茄湖居产量之首,但哈萨克斯坦占了4席。

  2018年世界十大铀矿

  核能发电在各国电力份额中的比例

  本数据是世界核能协会(World Nuclear Association,WNA)于 2019年8月份提供的数据。德国和日本核能发电在世界各国电力中的份额处于逐年下降,而中国大陆却上升。

  核能发电在世界各国电力中的份额(%)

  2020年2月全球核反应堆及铀需求

  本数据是世界核能协会(World Nuclear Association,WNA)于 2020年2月份提供的数据。

2020年2月全球核反应堆及铀需求

  单位换算:68240tU=80472tU3O8 ; 1 tU3O8=80472/68240=1.179

  全球十大核电站

  世界上最大的核电站是日本柏崎刈羽核电站,装机容量为7965MW,但2011年已经停工。值得注意的是韩国核电站进展很快,前十位核电站就占有4席,把美国和日本都摔到后面。

全球十大核电站

  核反应堆类型与分布

  2018年底全球运行的反应堆有449座,压水反应堆(PWR)最多,占总量的298/449=66%;其次为沸水反应堆(BWR)。

  2018年全球运行的反应堆类型与分布

      关键词: 核电站

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