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核能是能源可持續發展的希望

來源：中國核電信息網發布日期：2009-01-23

能源資源的可持續利用是社會經濟可持續發展戰略的基礎之一。世界一次能源將在百年內面臨供應危機的嚴竣威脅。改變能源結構、大力發展核電、逐步替代化石燃料是未來世界能源必然的發展趨勢。核電發展將經歷熱堆—快堆—聚變堆三個階段。隨著科學技術的進步，聚變堆將在二十一世紀中、后期逐步成為商業化用堆，并將成為能源可持續發展的中堅。

一、前言

在世界經濟迅速發展的今天，可持續發展(Sustainable development)已經成為世界各國政府和公眾關注的焦點。可持續發展的概念可理解為：發展是目的，關鍵是可持續。實現可持續發展就是要尋求一條社會、經濟、環境、資源和人口相互協調的、既能滿足當代人的要求、又不對滿足后代人需求構成危害的可持續發展的道路。不能吃祖宗飯，斷子孫路。實現可持續發展已成為當今全世界緊迫而又艱巨的任務，它直接關系到人類的前途、命運，影響到每一個國家、每一個民族、甚至每一個人。1992年6月在巴西召開的聯合國環境與發展大會上通過了《里約環境與發展宣言》、《21世紀議程》等公約、文件，充分體現了世界各國對可持續發展的新思想，反映了關于環境與發展領域合作的全球共識和最高級別的政治承諾。中國政府根據大會精神于1994年制定了《中國21世紀議程》，并已成為制定社會和國民經濟發展長期計劃的指導性文件。世界各國都在把可持續經濟發展和環境協調發展戰略作為一項基本國策。

中國可持續發展戰略的基本點有三：控制人口、節約資源、保護環境，以穩定社會。我們要保護和合理利用資源，促進持續發展。資源的可持續利用是可持續發展戰略的基礎之一。能源資源是國有資源的重要組成部分。能源工業作為國民經濟的基礎，對社會、經濟發展和提高人民生活水平都極為重要。如何做到能源的可持續發展，世界各國對這一問題都極為關注。本文對此談點粗淺看法。

二、世界能源的危機感

1994年末全球一次能源的可采儲量為14277．34億噸標煤，其中煤占73．1％，石油占13．8％，天然氣占13．1％，而當年的開采量為104．481億噸標煤。靜態儲采比為137年，亦即經過137年后，一次能源將被采盡。假定全球每年一次能源消耗量遞增1．5％，則動態儲采比為75年。按目前的開采量計算，全球煤炭、石油、天然氣可供開采的年限分別為：

煤：230年，如按年均1．2％開采速度遞增，可開采112年；

石油：45年，如按年均1．5％開采速度遞增，可開采34年；

天然氣：67年，如按年均1．8％開采速度遞增，可開采44年。

可以預料，在21世紀末期，一次能源在可采儲量方面將面臨枯竭。即使考慮到今后科技的進步，在資源勘測和新的鉆探開采技術的提高，能對不易開采的礦藏進行有效的開采，也不可能對儲采比延長多久。一次能源的枯竭遲早要出現。除了一次能源有限，將要出現供應危機外，大量使用化石燃料所排放的S0₂導致酸雨越來越嚴重、所排放的C0₂引起溫室效應、大量采煤導致土地嚴重退化和導致水體嚴重污染等、都將危害環境和破壞生態平衡，也構成危機。二者對人類的生存造成了日趨嚴重的威脅。因此，改變能源結構，大規模地發展利用核能替代化石燃料，并構成未來世界能源的支柱，將成為必然的發展趨勢。

三、中國嚴竣的能源問題

1994年末，中國一次能源儲量為：

煤：探明儲量約為1萬億噸，但按世界能源委員會定義的可采儲量只有1145億噸標煤；

石油：探明儲量為940億噸，可采儲量33億噸，折合標煤為47．2億噸；

天然氣：探明儲量38萬億立方米，可采儲量為1．7萬億立方米，折合標煤

為22．6億噸。

總計可采儲量為1214．8億噸標煤。1994年我國一次能源總耗量為11．6232億噸標煤，靜態儲采比為105年。假定年均消耗按3％速度遞增，則動態儲采比為48年。國內煤炭、石油、天然氣可供開采的年限分別為：

煤：93年，如年均按3．3％的開采速度遞增，還可開采43年；

石油：23年，如年均按1．5％的開采速度遞增，還可開采20年；

天然氣：100年，如年均按6％的開采速度遞增，還可開采33年。

上述數據表明，我國一次能源的可采儲量極不樂觀，全球動態儲采比是75年，而我國只有50年。為使我國經濟能持續、高速、健康的發展，必須認真執行“開發與節約并重，把節約放在首位”的方針。當前我國能源的浪費相當嚴重：煤炭回采率全國平均只有32％；煤轉化為電力的比重太低，發達國家一般在60％以上，而我國只有31％；能源效率只有30％左右，比國外先進水平低10％；單位國民生產總值能耗是發達國家的3—4倍；工業單位能耗，比發達國家高30～90％；煤炭最大浪費是50萬臺中小鍋爐和窯爐，如加以改造，每年可節約煤1億噸，相當全國煤炭產量的1／12；鋼生產單位能耗高60％等等。除勵行節約外，還應積極開發利用水能資源。我國水能資源理論儲量達6760億千瓦，據估計，全國經濟可開發裝機容量為2．9億千瓦。1994年水電裝機容量已達4906萬千瓦，占經濟可開發裝機容量16．9％。但水能資源分布不均，受自然條件制約更大，而且要與防洪、灌溉、航運等方面統籌規劃。太陽能、地熱、風能、湖汐等發電方式，也應積極開發利用。但這些發電裝機容量都較小，而且受自然條件的嚴重制約，只能在個別局部地區供電，不可能做為重要骨干電源。因此，大力勵行節約，改變能源生產與消費方式，實現能源、電力結構多樣化，建立能用之不竭、對環境危害小甚至無害的能源系統是中國可持續發展戰略的重要組成部分。在這些能源中核能是可持續發展的希望。

四、核能：能源可持續發展的希望

核能發電是安全可靠、清潔、對環境污染小、經濟性好的能源。

核能分為核裂變能與核聚變能二大類。核裂變能又分為由熱中子引起235U裂變和由快中子引起239p11裂變二類。完成這些過程的裝置稱為熱中子反應堆(簡稱熱堆)、快中子增殖堆(快堆)和核聚變堆。

1．熱堆核電站

1994年世界一次能源消耗中，核電占7．2％，相當于8．15億噸標煤。1996年全世界運行的核電機組共443座，裝機容量達3．45億千瓦，發電量為2．3萬億千瓦小時，占全世界電力生產的17％左右。在全世界運行的核電站中，美國最多(110座)，其次是法國(57座)和日本(53座)。就核電占電力生產的比例而言，立陶宛最高(85．6％)，其次是法國(77．4％)、比利時(57．2％)、瑞典(52．4％)。

中國核電起步較晚，目前裝機容量僅210萬千瓦，占我國一次能源總耗量的0．4％。據有關部門預測，我國核電的發展從現在起至2010年將達2000萬千瓦，至2020年達4000萬千瓦以上，約占當時總裝機容量的6％以上。

目前世界上運行的核電機組絕大多數是熱堆，這種堆所用的資源主要是天然鈾。世界上天然鈾資源較豐富，地質儲量約為2500萬噸。由于熱堆僅能利用天然鈾中含量極少的²³⁸U，而天然鈾中含量99％以上的²³⁸U還沒有得到充分利用，所以天然鈾供熱堆使用，相當于增加50％的一次能源可采儲量。發展熱堆不但可緩解一次能源的供應危機，而更重要的是積累工業Pu，為快堆發展作準備。1個100萬千瓦級的熱堆核電站，假定發電量因子為70％，壽命40年，則共需消耗天然鈾6500噸，可積累工業Pu6．4噸，供2座100萬千瓦級快堆的裝料。

2．快堆核電站

目前在俄羅斯、法國、日本和印度已有8座快堆在正常運行。由法、德、意三國聯合建造的超鳳凰快堆核電站的裝機容量已達120萬千瓦，期望能在經濟上同壓水堆核電站相競爭。快堆核電站現正處在建造商用核電站階段。我國正在建造2萬千瓦電功率的試驗性快堆，預計2003年投產。并以此為基礎，于下世紀初建立商用快堆核電站。

發展快堆核電站可以將天然鈾資源的利用率從熱堆的1％提高到60％以上，相當于增加一次能源可采儲量的30倍。這不但可以大大緩解化石燃料供應的危機，而且對環境保護、生態平衡、減輕運輸壓力、將化石燃料轉化為化工原料等等都有極大好處。發展快堆還能解決熱堆核電站運行時所產生的長壽命錒系元素，使其在快堆中燒成便于處置的裂變產物。

我國發展快堆，必須以加快發展熱堆為基礎，以便為快堆提供Pu裝料。下面根據計算，提供熱堆與快堆相互發展的2個方案，以供參考。

方案一：在2000～2020年的20年內，如果每年投運200萬千瓦熱堆機組，總共4000萬千瓦，則共需提供天然鈾6．7萬噸，積累工業Pu可建100萬千瓦級快堆21座，倍增快堆5座，共可建快堆26座，裝機總容量共6600萬千瓦。如2020年后熱堆機組停建，到2040年快堆共有88座，熱堆仍為40座，共有裝機容量1．28億千瓦，還需提供天然鈾12．8萬噸。此方案到2040年還達不到裝機容量1．5億千瓦。

方案二：在2000—2020年間，前10年每年投產200萬千瓦熱堆機組容量，后10年每年投產400萬千瓦，至2020年共擁有熱堆裝機容量6000萬千瓦。在這20年內由于熱堆工業Pu的積累和快堆的倍增，還可建快堆機組4000萬千瓦。故到2020年止，熱堆與快堆的裝機容量達1億千瓦。從2020年后停止再建熱堆，至2040年可建快堆2億千瓦。在2040年，核電總裝機容量達3億千瓦。40年內共?肖耗天然鈾約30萬噸，此方案說明，只要增加2000萬千瓦熱堆的投入，就可等到2．4億千瓦的快堆裝機容量。

盡管隨著快堆的商業化應用能較大地提高鈾資源的利用率，然而鈾資源同煤炭、石油一樣，也是要耗盡的。所以，從長遠看，最終解決能源供應問題，還得靠核聚變堆。

3．核聚變能：人類取之不盡，用之不竭的能源

與核裂變反應相反，核聚變反應是由2個輕的原子核如氘、氚聚合在一起而形成較重的原子核反應。發生聚變反應時放出的能量比裂變反應放出的能量大4倍。

核聚變所需的原料氘含在海水中。地球表面積約71％是被3。61億平方公里的海洋面積覆蓋著，其平均深度為3．8公里，即共有海水137億億m ³。每升海水中含氘0．032克，氘的總儲量達40萬億噸以上。每升海水含氘的聚變能量相當于250升石油。所以海水中的氘可供人類使用300億年以上，確實是取之不盡，用之不竭的能源。

聚變反應的產物是惰性氦，不產生放射性廢物，比裂變反應堆還要干凈，即使產生的中于能使物質活化，其放射性水平也比裂變反應堆低得多。聚變過程中燃料的加入量不受臨界質量的限制，可以通過注入燃料的多少直接控制其能量的釋放。出現故障時，可停止加料和停堆，且不產生余熱，絕不會出現堆芯熔化事故和放射性泄漏事故。所以其安全性大大高于裂變反應堆。因此，聚變堆核電站是安全、干凈、對環境污染小、用之不竭的可持續發展能源的希望。

目前世界上還沒有實現核聚變反應堆電站。其主要困難在于要使2個輕核融合在一起發生聚變反應，必須克服它們之間的靜電斥力。這就需要將燃料加熱到上億度的高溫，這時燃料變成正負電荷相等的混合氣體，即等離子體。而且高溫等離子體必須約束在一定體積內，使其有足夠的密度、足夠長的約束時間，以保證有足夠大的反應幾率，才能實現受控聚變反應。

目前按受控約束方法分為磁約束核聚變和慣性約束核聚變兩大類。

磁約束核聚變采用的是托卡馬克裝置。在50年代，前蘇聯就建造了這種裝置，美國、歐州、日本也相繼研制。目前磁約束核聚變的研究已達到驗證科學可行性階段。1993年在美國的TFTR托卡馬克裝置上獲得3～4億度高溫。1996年10月在日本的JT—60托卡馬克裝置上得到了輸出與輸入能量比Q=1．05的好結果。我國自行設計研制的中國環流器新一號是一個性能優良的受控核聚變實驗裝置，1997年5月在實驗中獲得了長達4秒的長脈沖放電，表明運行主要參數達到了國際同規模裝置的先進水平。但磁約束核聚變要達到真正商業化還需要經過建造工程實驗堆到商用堆驗證幾個發展階段，預計在21世紀中、后期可能實現聚變堆的商業化。

慣性約束核聚變，它是利用物質本身運動的特性即慣性達到約束的目的。按引發聚變的高功率能源(又稱驅動器)分為激光聚變與粒子束聚變。

激光聚變的研究開始于60年代，美國研究的最早。最近在OMEGA激光器上取得了至今世界上最大激光聚變實驗的好成果。該裝置共有60路激光束，總能量達30KJ。平均每小時打氘一氚靶丸一次，每次出中子10¹³—10¹⁴。靶丸溫度為13～14Kev。激光聚變“點火”意味著慣性約束的科學可行性的驗證，點火裝置已從遠景規劃進入近期議事日程。法國、日本、俄國也積極開展研究。我國在60年代已開始了激光打氘冰靶觀測中子的實驗。80年代神光1號問世，目前正在安裝神光2號，還在設計神光3號。