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核电跃进,核废物处理待解

        发布时间:2018-11-15 15:58        编辑:北极电力网

核电跃进,核废物“老无所依”

      核电大建设席卷中国沿海和内陆,涉及重大安全的核废物处置环节却在核电产业链上留下空白

      中国对于核电的规划正在不断刷新数字。在2007年的《核电中长期发展规划(2005-2020年)》中,2020年核电装机容量为4000万千瓦,根据正等待国务院批准的《新兴能源产业发展规划》,这一数字将被改写为8600万千瓦。
 
      截至9月底,国务院已核准34台核电机组,装机容量3692万千瓦,其中已开工在建机组达25台、2773万千瓦,是全球核电在建规模最大的国家。

      这令王驹既喜且忧。作为中国核工业北京地质研究院副院长,王驹有一个特殊的使命——研究高放射性核废物地质处置。

      核能虽是清洁能源,但其产生的废物不仅不清洁,甚至非常危险。

      根据放射性的不同,核废物分为高放废物和中低放废物。其中,反应堆用过的核燃料称为乏燃料,具有极高放射性,核电站使用过的工作服、手套、废弃退役的仪器设备等则属于中低放废物。尽管乏燃料只占废物的1%,但却对人体危害极大。其中一种被称为钚的核素,只需摄入10毫克就能致人死亡。

      王驹告诉《瞭望东方周刊》,根据规划,我国2020年建成的70个反应堆,加上当时在建的30个反应堆,全寿期(60年)产生的乏燃料将为14 万吨。而目前,由于中国的高放射性核废物的处置研究还属于初级阶段,所有的乏燃料都暂存在核电站自建的硼水池中,急切等待一个永久性的处置库安身。

      王驹感到肩上的担子更重了。

      入土为安

      处置核废物最好的办法便是让它们“ 入土为安”。“简单说就是:挖个坑,把废物埋进去,然后封起来。”王驹说。

      中国对中低放废物已经有了较为成熟的处置技术,不论是固体核废料还是液体核废料,都先进行固化处理,然后装进200升的不锈钢桶,放在近地表的处置库。目前,中国已建成了两个中低放废物处置场:位于甘肃玉门隶属于中国核工业集团的西北处置场、位于广东北龙由中国广东核电集团建造的华南处置场。

      高放废物的处置则是一个世界性难题。乏燃料中的众多放射性元素都拥有数以万年计的半衰期,长的约为210万年,短的也有近500年。

      对于高放废物的处置,科学家曾提出“太空处置”、“深海沟处置”、“岩石熔融处置”等方案,但从工程技术的角度来说,唯一可行的是深部地质处置,也就是“挖坑埋”:将乏燃料废液制成玻璃化的固体,装入可屏蔽辐射的金属罐中,放进位于地下500~1000米的处置库内。

      “考虑到处置库中的废物毒性大,半衰期长,要求处置库的安全评价期限至少要达到1万年。这是目前任何工程所没有的要求。”王驹说,“从工程技术的角度来说没有本质的难题,关键问题在选址,也就是如何向监管部门和社会公众证明埋在这里是绝对安全的。”

      归宿难觅

      美国已明确将于2017年建成尤卡山高放废物处置库,芬兰也将于2020年建成乏燃料处置库。但中国的高放废物处置库仍没落定。

      早在十几年前,负责为高放废物处置库选址的核工业北京地质研究院已经圈定了华东、华南、西南、内蒙古、西北和新疆这6个预选区。在进行初步比较后,焦点聚集在了甘肃北山地区。

      1989年,北京地质研究院的选址队开始踏入北山。在王驹的办公室里,没有中国地图和世界地图,只有一幅硕大的北山地图挂在墙上。

      “谈起北山,我一天一夜也说不完。”王驹感慨道。

      第一次探访北山是在1993年。站在这块10万平方公里的戈壁滩上,王驹只看到飞机从远远的地平线升起,经过头顶,又消失在远处的地平线上。“那时我亲眼见证了地球是圆的。”

      坐落在海边的大亚湾核电站如今已经成为一个旅游景点,而北山却荒凉得让人感到心酸。20年来,王驹和他的团队守着北山不放。他们坚信北山是中国最适合建造高放废物处置库的地方:这里人少、经济极不发达、地壳稳定、花岗岩体规模巨大完整、干旱、地下水流速缓慢,一切都切合选址标准。

      “北山地区10万平方公里只有6000户居民,基本没有工商业。选在这样一个接近于无人区的地方,未来变数会小得多。”王驹说。到2009年,共打了6个深钻孔和8个浅钻孔,获得了大量深部岩样、水样和相关数据。“北山是国内目前工作程度最深的场址。1989 年以来的研究成果表明,该区目前没有颠覆性问题,是一个有远景的预选区。”王驹说。

      但是,北山并非板上钉钉。除了北山外,其他5个区域的钻孔调查也即将开始,然后在几个点中平行比选,挑出三个最好的,再从中选一。备选区域可能在内蒙古和新疆。

      “北山之所以没有最后确定下来,也是因为各方对它的看法还没有完全统一,有人持不同意见,因为涉及地质、水文、气象、生态等各个方面,太复杂了。”清华大学核能与新能源技术研究院研究员梁俊福说。

      《高放废物地质处置中长期研发规划指南(讨论稿)》给这个项目制定了一张时间表:2020年前初步完成处置库选址,完成地下实验室的可行性研究,并建成地下实验室;从2020年到2040年的第二阶段,着力进行地下实验室的现场试验,掌握处置库建造技术;2050年建成高放废料处置场并投入运营。

      “我们对前端的燃料开发、核电站建设等很重视,但对后端重视不够。核电要顺利发展必须解决两个问题:核安全及废物的妥善处置。对第一点大家都有共识,对第二点却没有。随着核电发展规模猛增,核废物处理问题会越来越突出,现在到了重视和大力推动这个环节的时候了,不能等到造成了不好的社会反响的时候才去做。” 环保部副部长兼国家核安全局局长李干杰在2009年底的全国核电运行和建设管理经验交流大会上说。

      产业链上的留白

      在核燃料的整个循环过程中,从反应堆中取出乏燃料一直到永久性地质深埋中间,还有若干道工序。简单来说,乏燃料由核电站业主单位取出后要交给后处理厂,切成小块,扔进酸里溶解,提取出有用的铀和钚重新作为燃料循环使用,剩下的废液交由玻璃固化厂进行固化,再装进特制的废物罐中,运送到永久性处置场封存。

      在这个位于整个核电产业链末端的一截上,中国留下了许多空白。

      由于没有建成永久性的处置库,乏燃料暂存在秦山核电站与大亚湾核电站的硼水池中以阻挡辐射。中国工程院咨询项目“高放废物地质处置战略研究”的总报告显示,秦山核电站每年产生10吨左右乏燃料,大亚湾核电站每年则有40吨左右。一台百万千瓦的反应堆每年产生的乏燃料约为22吨。而这些乏燃料一般只能暂存10年。

      时间有限,空间也有限。到了2003年,1994年投入商业运行的大亚湾核电站的硼水池已经积满了乏燃料。多余的乏燃料只能通过4000公里的长途跋涉运往甘肃的中核集团404厂暂存。

      名义上,404厂具有后处理资质,应承担从乏燃料中提取铀和钚的工作。但事实上核电站产生的民用乏燃料并未在那里得到任何后处理。“404厂进行后处理的军工类废物比较多,民用的都没有处理。”知情人士告诉本刊记者。

      梁俊福告诉记者,目前在后处理方面中国正在与法国谈技术合作,但是法方报价太高,谈判仍没最终定下来。

      在永久处置库的建设方面,体制等各方原因也在阻碍着项目进展。

      世界上各有核国家都将高放废物处置工作放在了国家层面上,通过制定国家政策、颁布法律法规、成立专门机构、筹措专门经费、建立专门的地下研究设施(地下实验室)和开展长期研究开发等方式,确保高放废物的安全处置。

      而在中国到目前为止还没有国家级高放射性核废物地质处置专项规划。“有关高放废物地质处置的政府行为只停留在部委一级层面上,一些必须在国家级层面决策的事项难以进行;对于如此重大的高难项目,国家重大科技工程、973 计划和国家自然科学基金重大项目研究计划等也没有列入。”中国工程院院士、辐射防护和环境保护专家潘自强说。

      谁该为核废料处置埋单?

      “乏燃料的后处理和处置花费惊人,不是哪一家企业想做就能做的。”王驹对记者说。

      美国预计将于2018年建成的处置库整个计划需近1000亿美元,经费主要来自电费的提成,每年约能收取 6 亿美元。在瑞典,则由核电站出资成立的“瑞典核燃料与废物管理公司(SKB)”负责地质处置工作,由国家监管,大家分工。

      而在中国,尽管地方政府及各大核电集团、电力集团都抢建核电站,核废物处置却鲜有人过问。垄断体制下的产业巨头博弈也是阻碍乏燃料后处理和最终处置研发与产业化的重要原因。

      西北处置场隶属于中国核工业集团(简称中核集团),业务指导归其直属子公司—— 中核清原环境技术工程有限责任公司,组织人事关系归404厂。北龙处置场为商用处置场,其经营主体为清原公司,但投资方却为中国广东核电集团(简称中广核)。有媒体报道说,1998年,中广核花了8000万元建成了北龙处置场,但由于当时的主管部门下发了两张建设许可证,分别给中广核和中核集团,其实际管理权至今仍未划清。

      2007年6月,原国防科工委联合国家环保总局欲筹备一家核废物处置股份公司,由中核集团、中广核、中电投、华能、大唐这五家主要核电企业共同投资。然而,由于中核集团与中广核对控股权的争夺僵持不下,这家公司胎死腹中。

      高放核废物处置项目研究经费不足的问题一直难以解决。高放废物处置方面的研究经费来自国防科工局的拨款和国际原子能机构提供的部分技术支持。王驹认为,这并不是一种长效机制。据了解,我国“十五”高放废物地质处置的平均年度经费仅为400万元左右。“十一五”虽有增加,可达到年均1000万元的强度,但仍然很低,远不能满足相应需求。

      对非军工设施高放废物,国际上普遍认可的做法是,在废物生产者仍在运行时就收取费用,以供将来长期管理的营运之需。根据谁产生废物谁负责治理的原则,多数国家都要求废物生产者提供废物处置的资金。

      筹资机制主要有两种:基金制及储备金制。基金制采用收取年费的办法。储备金是废物生产者根据法律法规确定的计价办法,自己测算每年储备金数量,按年度注入自己财务系统中独立的储备金账户中。

      中国还没有建立从核电电费中收取高放废物地质处置所需资金的筹资机制。“处置一台百万千瓦机组运行60年产生的1320吨乏燃料,所需的处置费用约为21.4亿元人民币,约占其总收入的1.2%,完全在其可承受范围之内。”潘自强表示。(记者张瑜)

      第四代核电国际赛跑

      如果石岛湾的商业示范工程取得成功,中国将成为世界上第一个拥有高温气冷堆商业核电站的国家。这种首发优势将重新定义中国在世界核电产业中的地位,有可能使中国从一个技术引进国变成一个核电技术输出大国

      中国核电正在步入黄金时代。

      自2005年起,国家重启核电建设,“十五计划”提出的“适度发展核电”,在“十一五规划”中修改为“积极发展核电”,今年10月公布的“中共中央关于"十二五规划"的建议”中,提出“在确保安全的基础上高效发展核电”。

      根据待批的《新兴能源产业发展规划》,到2020年,规划核电装机容量为 8600万千瓦。尽管目前我国核发电量占比仅为2%,但25台、2773万千瓦的在建规模却占全世界在建核电机组的40%。

      目前,从美国引进的第三代核电技术AP1000风行中国,如果大规模商用成功,将会取代已成熟运营的二代加技术成为未来中国核电的主导技术。

      在全国核电建设高潮的喧嚣之外,清华大学核能与新能源技术研究院(简称“清华核研院”)则在默默推进着中国第四代核电技术高温气冷堆的商业示范工程。

      相对于二、三代技术,外界对于第四代核电技术知之甚少,更不了解,中国的高温气冷堆技术已经走在了世界前列。

      “如果石岛湾的商业示范工程取得成功,中国将是世界上第一个拥有高温气冷堆商业电站的国家,这将重新定义中国在世界核电产业中的地位。这种技术和商业上的首发优势将有可能使中国从一个核电技术引进国变成一个技术输出大国。”清华核研院院长张作义告诉《瞭望东方周刊》。

      目前,该项目只等一纸建造许可证。经过30年的跋涉,伴随着863计划诞生的中国高温气冷堆项目走到了一个关键节点。

      代际之辩

      为什么有了四代还要搞三代,有了三代还要继续搞二代?

      张作义认为,以代来划分核电技术发展不太科学。在核电领域,代际之间并不是普遍意义上的互相替代的关系。“比如,目前占据主导地位的是二代加技术,但是三代也要建。同时,发展三代,也不是说二代加技术就要被淘汰,因为它仍然满足目前的技术和安全标准。”

      北京大学政府管理学院教授路风也对本刊记者表示:“世界主流核电技术不是沿着一条直线发展的,一、二、三、四代这种划分给人造成了错觉。”

      1999年,美国政府提出了“第四代核能系统”的概念,其中对核电站的最根本要求就是要达到“固有安全”。2001年7月,美国能源部宣布成立由美国领导的的“第四代核能系统国际论坛”,推出了包括高温气冷堆、钠冷快堆在内的6种第四代堆型的概念。

      高温气冷堆是用氦气作冷却剂,出口温度高的核反应堆,除了用于发电外,还可以制氢。

      2009年9月,美国能源部发表声明说:“下一代核电站(Next Generation Nuclear Plant,NGNP)项目将采用新型的高温气冷堆技术,一个设施支持多种工业应用,比如发电的同时进行石油精炼。NGNP项目将使核能利用延伸到更宽广的工业和交通领域,降低燃料消耗和污染,并在现有的商业化轻水堆技术基础上提高固有安全性。”

      “目前看到的压水堆机组是庞然大物,实际上,反应堆的体积仅占约千分之一,由于反应堆过小,产生的单位热量极大,容易发生堆芯熔化,因此需要大量的水来冷却以确保其安全。但如果将反应堆做得足够大,易于散热,就无需用水冷却就可防止堆芯熔化。高温气冷堆就是这种原理。”张作义解释说。

      2009年11月,美国橡树岭国家实验室对清华大学设计出的这种高温气冷堆做出调研报告,认为:这个反应堆最大的好处就是安全,从物理上可以完全排除三哩岛和切尔诺贝利那样的核事故,同时,由于高温,发电效率也会比轻水堆高得多,几乎可与火电媲美。

      中国领跑

      早在上个世纪40年代,美国就已经对这种高温气冷堆提出了概念,二战后,美国橡树岭国家实验室承担了分析和实验工作。1960年代初,美国国内停止了这一研究,将项目转移到德国继续进行。1967年~1990年,德国曾建造运行过使用高温气冷堆技术的一个实验堆和一座示范电站。1990年代,由于德国国内绿色和平主义思想盛行,政府最终决定淘汰核能,高温气冷堆的项目也随之停止。

      上世纪70年代中期起,清华核研院承担了中国研制高温气冷堆的任务。曾任清华大学校长、清华核研院院长的王大中曾积极倡导这个项目。王大中、张作义等一批中国核能研究领域的顶尖人才都曾留学德国,对德国的高温气冷堆技术非常熟悉。

      在“863”计划的支持下,1986年,清华大学正式开始了对高温气冷堆的研发。1995年,清华大学的10MW高温气冷实验堆HTR-10开工建造,2003年1月实现满功率并网发电。

      2006年1月,“大型先进压水堆和高温气冷堆核电站示范工程”被列为十六个国家科技重大专项之一,工程建址山东石岛湾,目标是于2013年投运。电站由两个功率为10万千瓦的反应堆模块组成,并连接到一台汽轮发电机组。美国橡树岭国家实验室的研究人员福斯伯格和摩西认为:“模块式”是清华的一个创新,这样既可以保证安全优势,又可以获得批量生产核系统的经济性。

      “相比目前的压水堆,我们的高温气冷堆少了冷却这一环节,所以系统大大简化,这对于不擅长制造精密系统的中国工业来说是个极大的优势,这种技术和设备全部可以实现国产化,不需要引进。另一方面,反应堆的材料主要是钢铁和石墨,成本低廉,同时其发热功率大,效益高。再者,高温气冷堆的设备与火电站设备具有兼容性,而中国拥有强大的火电站设备制造能力。”张作义说。

      美国橡树岭国家实验室指出:“如果中国成功建造了一个既提高了安全性又经济的模块式反应堆,在向其他国家销售商用核反应堆方面,中国将成为世界领先者。如果这一战略成功的话,它将领先至少10年或者更长的时间。”

      为什么中国作为一个后来者,今天已经成为一个领跑者?在张作义看来,这是一场“龟兔赛跑”。

      “由于美德的研究中断,我们捡了时间上的便宜。而且作为国家科技重大专项,高温气冷堆在中国是优先发展的项目,政策的支持使我们的研究一直保持了下来。就像兔子睡着了,于是乌龟赶上去了。”张作义说。

      不过,核电技术的研发周期非常长,而兔子也总有醒的时候。2009年9月,美国能源部已将高温气冷堆列为美国下一代核电站的技术类型,并开始投入巨大的人力和物力。据张作义介绍,美国现在每年花1.8亿美元投入研发,并组织了一个数千人的高温气冷堆实验室。

      相比之下,中国的研究队伍仅有一千人,尽管这已经是个庞大的数字,跟美国相比还远远落后。“美国拥有深厚的技术基础,而我们的技术底子薄,科研经费也比他们少,我们这些年来总共的花费也就相当于他们一年的经费,可以说我们这批人是勒着裤腰带干活的。”张作义说。

      最令张作义感到威胁的是,美国的NGNP项目已进入招标阶段,通用原子公司和西屋电气公司正在竞争。

      “美国的NGNP一旦投入就是商业电站,而不会经由实验堆再到商用堆,现在的问题是,谁先建成商业电站,谁就能先发制人。”张作义对《瞭望东方周刊》表示。

      站在门槛边

      在实现高温气冷堆的商业化方面,比张作义更为着急的可能是其合作伙伴中核建设集团公司(以下简称“中核建”)和华能集团。

      石岛湾的高温气冷堆商业示范工程共催生了两个公司:一是中核能源科技有限公司(以下简称“中核能源”)。中核能源是核电站核岛的供应商及总承包商,2003年成立初期由清华大学控股、中核建参股,2006年中广核入股。

      中核能源被张作义称为“未来的西屋”(西屋电气公司是世界著名的电工设备制造企业,1957年建成了美国第一座商用核电站,也是中国国家核电技术公司主要合作伙伴)。“电站里最重要的设备和投资都在这儿,公司的老总是我们从美国华尔街挖过来的,打算将来打入国际市场,打造一个世界级的产业模式。”

      第二个则是为石岛湾核电站成立的业主公司,即由华能集团、中核建和清华大学分别以47.5%、32.5%、20%的投资比例共同建设运营的华能山东石岛湾核电有限公司。

      石岛湾项目原本预计在2008年至2009年之间颁发建造许可证。在2010年“两会”期间,中核建总经理穆占英还兴奋地表示,3月底4月初石岛湾项目将正式开工建设。然而,据本刊记者了解,直至今日,石岛湾项目仍未拿到建造许可证。

      “国家对于核电项目的批准是非常审慎的,尤其是高温气冷堆作为一种新技术,需要充分验证其安全性。”一位核电业内专家对本刊记者表示。

      另一方面则是出于对核电整体布局的考虑。目前,三大核电公司(中核集团、中广核集团、国家核电技术公司)与包括华能集团、中电投集团在内的五大发电集团角逐核电这块上万亿的大蛋糕。此前,由于核电技术路线在“二代加”和“三代”之间争执不下,愈演愈烈的核电“大跃进”被国家能源局暂时叫停,延缓甚至停止了核电项目的审批。

      欲速则不达。华能集团在推广高温气冷堆方面的高调颇引人瞩目,它对高温气冷堆寄予的希望非常大,不仅将一个实验室项目变成了示范性的商业项目,并且已经开始这个技术的商业化推广。

      石岛湾高温气冷堆的远期规划中,要建成400万千瓦高温气冷堆核电机组。除此之外,华能集团已经在安徽安庆成立了核电工程筹建处,准备建高温气冷堆核电站的商业化推广项目。华能集团甚至设想在海南上马高温气冷堆,但因为这个技术还处于实验室阶段,要到2015年才能投产发电,而海南等不及,才只好作罢,选择了中核集团自主研发的二代技术。

      华能山东石岛湾核电有限公司总经理工作部一位人士告诉本刊记者:“本来高温气冷堆项目计划去年8月开工,推迟到现在却还未开工,发改委的立项拿到了,前期的可行性研究报告和安全报告已经做完,核安全局和环保部的评审也通过了,现在就等着开工了。”

      张作义则对本刊记者透露,目前示范工程的前期工作已经准备地差不多了,项目的30%已经建成,但是核电站真正意义上的开工是“浇筑第一罐混凝土”,在没有拿到建造许可证之前无法进行这项工作。

      “高温气冷堆是20万千瓦的,而现在一个压水堆机组就是100万千瓦,恐怕中国未来十年间都没有高温气冷堆的商用化空间。”一位不愿透露姓名的业内专家对记者表示。

      张作义则对高温气冷堆的商业前景十分看好。“一旦我们的示范电站运营成功,很快就会找到市场,现在已经有许多外国能源公司来洽谈技术引进。”

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