核能发展：现状与未来趋势

（1）世界核能发展现状与趋势 20世纪50年代，美国、前苏联等工业发达国家在进行核军备竞赛的同时，也竞相发展核电站。1954年苏联建成功率为5千kW的试验性原子能电站，为世界上首座核电站；1957年美国建成功率为9万kW的希平港原型核电站。这些成就证明了利用核能发电的技术可行性。国际上把上述试验性和原型核电机组称为第一代核电机组。

20世纪60年代中期，在试验性和原型核电机组基础上，陆续建成电功率在30万kW以上的压水堆、沸水堆、重水堆等核电机组，它们在进一步证明核能发电技术可行性的同时，也使核电的经济性得到证明，可与火电、水电相竞争。20世纪70年代，因石油涨价引发的能源危机促进了核电的发展，当时核电发展速度远大于火电和水电，目前世界上商业运行的核电机组绝大部分是在这段时期建成的，称为第二代核电机组。

从前苏联建成第一座核电站至今，世界核电得到了迅速发展。特别是20世纪70年代后，核电技术的成熟和中东战争引发的石油危机，更促成了核电发展的高潮。截至2002年，全世界有441座核电站在运行。其中美国104座，法国59座，日本54座分别居前三位。从核电占电能的比例看，法国以77.07%居首位，超过40%的国家还有立陶宛、比利时、保加利亚、斯洛伐克、瑞典、乌克兰和韩国。目前全世界核电提供的电能占世界电力供应的16%，为此每年可以减少23亿t CO₂的排放量，这意味着如果不使用核电，全世界CO₂的排放量将增加10%。

1979年以前，人们普遍认为核电是安全清洁的能源。然而在过去10年中，核电变成了一个备受争议的话题，它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，核电事业的发展进入低潮。例如在欧洲许多国家不但不建核电站，反而是讨论如何迅速关闭核电站。究其原因，主要是美国三里岛和前苏联切尔诺贝利核电站事故引起公众对核的恐惧。但是这种恐核心理导致的核电发展停滞已带来严重的负面影响，例如1999年瑞典核电占47%，因为关闭核电站，只能被迫向丹麦燃煤电厂购电，不但电费上涨，而且导致西欧CO₂的排放总量超标。现在德国、瑞士等国也不得不暂缓关闭核电站。

但法国、日本和韩国等国家发展核电事业的方针仍然没有改变。20世纪80年代，虽然美国撤消了不少拟建核电项目，但没有放弃发展核电事业的可行性研究。美国能源部和电力研究院的研究结果认为以已有核电经验和技术水平为基础，美国能够设计出新一代核电机组，其安全性能为社会公众和电力投资者所认可，其经济性具备参与市场竞争的能力。进而美国电力研究院于20世纪90年代出台了“先进轻水堆用户要求（URD）”，用一系列定量指标来规范核电站的安全性和经济性。欧洲出台的“欧洲用户对轻水堆核电站的要求（EUR）”也表达了相同或相近的看法。国际原子能机构也对其推荐的核安全法规（NUSS系列）进行了修订补充，进一步明确了防范与缓解严重事故、提高安全可靠性和改善人因工程等方法的要求。

切尔诺贝利事故已经过去24年，其间世界400多座核电机组又积累了1万多堆年的运行经验，且无重大事故发生。这说明核电站改进措施已见成效，核电安全性和经济性都有所提高。但公众和用户仍对发展核电事业有疑虑，因而必须着力解决以下问题：①进一步降低堆芯熔化和放射性向环境释放的风险，使发生严重事故的概率减少到极限，以消除社会公众的顾虑。②进一步减少核废料（特别是强放射性和长寿命核废料）的产量，寻求更佳的核废料处理方案，减少对人员和环境的剂量影响。③降低核电站每单位千瓦的造价和缩短建设周期，提高机组热效率和可利用率，提高寿命，以进一步改善其经济性。

美国、欧洲和国际原子能机构建议法规第二版就是主要依据上述目标而提出的。与此同时，为了从根本上解决核能利用的必要性、可行性和可持续性，以美国为首的一些工业发达国家已经联合起来进行第四代核能利用系统的概念设计和研究开发工作，试图在2030年左右能够商用建造。

与欧美发达国家相反，亚洲由于经济迅速崛起，核电发展方兴未艾。亚洲目前共有100余座核电站在运行，其中一半集中在日本。韩国、中国内地和中国台湾地区、印度、巴基斯坦等仍有许多座新核电站在建设之中。由于先进堆型的开发，核电技术的不断完善，核安全程度越来越高，加上全球经济的迅速发展，以及为了解决温室气体排放及酸雨等环境问题，核电在未来20年将又有一个新的发展，对发展中国家更是如此。美国能源部估计，工业化国家、前东欧和前苏联各国、发展中国家占世界核电的比例1999年底分别为79.7%、13.0%、7.3%，而到2020年这一比例将变为70.1%、10.8%、19.0%。

（2）中国核能发展现状与趋势 我国核能利用起步较晚，但发展迅速，截至2007年年底，我国大陆地区核电运行机组达11台，运行总装机容量达到907.8万kW。2007年，我国核电总发电量628.62亿kWh，上网电量为592.63亿kWh，同比分别增长14.61%和14.39%。核电总发电量的比例为1.9%，占电力总装机容量的比例为1.29%。按照国家《核电中长期发展规划》，到2020年，全国要建成核电机组4000万kW，在建1800万kW，核电机组装机容量占电力总装机容量的比例将达到4%。在经济发达、电力负荷集中的沿海地区，核电将成为电力构成中的重要组成部分。

由于核能利用是高技术的集成，是一个国家综合实力的体现，因此我国政府除了大力发展核电站外，还积极支持核能利用的基础研究工作，奋力赶超国际先进水平。例如：①2000年我国已建成第一座快中子增殖实验堆，热功率为65MW，电功率2MW。②2000年我国已建成第一座高温气冷实验堆，热功率10MW，电功率2MW。③“九五”国家重大工程大型全超导托卡马克核聚变实验装置HT-7U已正式动工兴建，该项目投资1.65亿元。④21世纪初将建设一座聚变-裂变混合堆。⑤《国家重点基础研究发展规划》已将加速器驱动洁净核能系统立项支持，研究经费达3000万元。⑥激光惯性约束核聚变研究也正在进行之中，总能量为6.4MW的8路激光装置已在建造之中。

在21世纪，核能利用将在我国取得更大的进展，并在改善我国能源结构中发挥越来越大的作用。根据专家估计，为了适应2020年我国国民经济翻两番对电力的需求，那时我国年发电量至少需要翻一番，总装机容量将达10亿万kW左右。为了减少燃煤发电对采煤、运煤和环境的压力，各方面都希望尽可能多建核电站，希望到2020年核电装机容量能在现有基础上翻两番，达到4000万kW，占全国总装机容量的4%。在2020年实现这一目标后，核电增长速度将更为加快，预期到2035年，使核电装机容量达到2亿万kW以上是可能的。(www.xing528.com)

核能的利用是解决能源可持续问题的必由之路，它在能源中的比例将逐步加大，从而改善能源结构，并有望在将来彻底解决人类对能源的需求。然而，核能的开发利用是一个循序渐进的长期过程。按其科技难度的不同，大致可以分为热中子堆、快中子堆、可控聚变堆三步，这三步需要互相衔接，逐步进入实用阶段。

第一步是热中子反应堆（简称热堆）。压水堆、沸水堆、重水堆、石墨堆都是热堆。世界上现有400多座热堆核电机组，其中约70%为压水堆。我国建成的和正在建设的核电机组9套是压水堆，2套是重水堆。现在可以说，至少到21世纪30年代，压水堆仍然是发展核电的主要堆型。发展大型先进压水堆核电站当是重中之重。根据我国“863”高科技计划决定，清华大学核能设计研究院已建成一座热功率为10MW的高温气冷试验堆。高温气冷堆是一种先进的热中子堆型，其冷却堆芯的氦气温度可达800～1000℃，除了能高效发电外，还可用于炼钢、煤的气化、H₂生产等。但其技术难度高，一系列高温工艺和氦密封技术等需要攻关。目前我国已在规划建设高温气冷堆示范电站。

热中子反应堆的主要缺点是核燃料利用率低。在开采、精炼出来的铀中，只有约1%能在热中子堆内裂变产生核能，99%将作为铀²³⁸积压下来，要等待快中子增殖堆方能大量利用。

第二步是快中子增殖堆（简称“快堆”）。快堆最大的优点是它能充分利用核燃料。快堆在消耗裂变材料以产生核能的同时，还能产生相当于消耗量1.2～1.6倍的裂变燃料，使得热堆所积压的铀²³⁸在快堆中得到充分利用，所以快堆也称增殖堆。

但是，目前世界上已建成发电的快堆都是钠冷快堆，它的工艺系统仍相当复杂，投资甚大，因此冲淡了它在燃料上的优越性。其发电成本还不能与压水堆相竞争。如何使快堆技术成熟、工艺简化、降低成本是21世纪快堆研究的主攻任务。估计到2030年以后，快堆才可能有商用经济性，发挥其优势。

我国“863”高科技计划决定，把研究、设计、建造一座热功率6.5万kW、电功率2.5万kW的试验性快堆电站列入重点高科技项目。之后将陆续研制示范性快堆和经济实用的快堆电站，以期在2030年前后达到国际先进水平。

第三步是可控热核聚变堆。聚变堆是利用氢的同位素氘、氚等聚变成氦而释放核能的反应堆。聚变反应堆成功后，水中的氘足以满足人类几十亿年对能源的需求。但实现可控聚变热核反应堆的难度非常大。关键问题是如何把极高温（至少几千万度以上）的轻原子核约束到一起，使它们产生聚变。众所周知，太阳就是一个巨大的聚变反应堆，其中心温度约1500万℃，压力约3000亿个大气压（1个大气压等于1.01×10⁵Pa）。太阳之所以有如此高温高压，是因其质量是地球的33万倍，物质之间引力特别大，足以克服带正电的氢原子核之间的正电斥力，使四个氢原子核聚合成一个氦原子核，并产生能量。所以，太阳能本质上是核聚变能。

与太阳相比，地球尚不具备自然聚变的条件。由于原子核带正电，相互之间的正电斥力远远大于质量引力，所以在地球上只能靠人工条件来实现聚变。研究表明，把原子核约束到一起的主要途径有磁约束和惯性约束。自20世纪50年代以来，各国建成多种类型的试验装置200多台，向聚变目标逐渐靠近。20世纪80年代以来，一些大型托卡马克（磁约束）装置试验成果证明了输出能量大于输入能量，磁约束受控热核聚变的科学可行性已被证实。在此基础上，欧盟、美国、日本、俄罗斯四方联合开发的国际热核试验反应堆（ITER）已于1998年完成了工程设计，预期在2020年前建成。ITER设计功率50万kW，等离子体持续时间大于500s。如果ITER能如期建成并运行，聚变发电的工程可行性将得以证实。但实现经济的商用发电仍需解决一系列技术问题。国际聚变界认为，虽然核聚变前景是光明的，但从“聚变研究”到“聚变经济”尚需要50年。我国已决定参加ITER项目，在前沿科技上与国际社会展开密切合作。

我国早在20世纪50年代中期就已开始了可控热核聚变研究。2002年12月，我国新一代受控核聚变研究装置—中国环流二号（HL-2A）建成开机，这是继20世纪80年代中型托卡马克HL-1和20世纪90年代改进型HL-1M及合肥超托卡马克-7号（HT-7）之后，我国在核聚变领域的新跨越。HL-2A和正在建设的EAST超导磁约束聚变装置标志着我国聚变研究进入大规模装置试验阶段，具备了在更高层次上参与国际合作研究与竞争的基础。随着激光技术的发展，惯性约束研究也有重大进展，各国科学家先后建立了一批几百焦耳至数千焦耳的中小规模固体激光驱动器和KrF准分子激光驱动器，包括我国的SGⅡ和HEAVEN-1。专家们认为，准分子激光具有良好的物理特性和较高的能量、价格比，是极其有希望的一种驱动源。

目前国家各有关部门正在制订规划，以期充分利用我国已积累的核电技术和经验，并充分吸收国际先进技术和经验，通过新的核电工程实践项目，在较短时间内达到自主设计和建造百万千瓦级大型先进核电机组的目标，早日进入第三代核电机组发展阶段。我国已建成的高温气冷堆试验核电站和正在建设的快堆试验核电站以及对一体化超临界水堆和闭式核燃料循环系统已进行的研究开发工作，有力地推动着我国迈向第四代核能利用系统的进程。我国在热核聚变方面取得的研究成果和积极参与国际合作的走向也是令人鼓舞的。