文/新浪財經專欄作者 董秀成
全球氣候變化問題日益突出,為此世界各國順應應對氣候變化浪潮,紛紛制定碳中和目標和路線圖,積極推動能源綠色低碳轉型發展。
在當前復雜的形勢下,尤其是俄烏沖突愈演愈烈、新冠肺炎疫情仍然存在變數、極端天氣頻發、能源供求關系出現失衡等諸多因素疊加在一起,導致全球能源市場異常劇烈波動,引發歐洲能源安全危機和全球能源價格居高不下。
在此背景下,以往備受爭議甚至是遭遇冷遇的核能再度成為熱點話題,重新回到世界各國的視野。
一、核能知多少
核能,也可以稱為原子能,從物理學角度看,它是指由原子核里的核子(比如中子或質子)在重新分配和組合過程中釋放出來的能量。
核子重新分配和組合過程,也稱其為核反應,包括如下三種類型:一是通過核裂變反應,既較重的原子核在分裂過程中釋放能量;二是通過核聚變反應,既較輕的原子核聚合在一起釋放出能量;三是通過核衰變反應,既在原子核自發衰變過程中釋放出能量。
從目前人類利用方面,核能分為兩類:一類叫核裂變能,比如當前人類普遍利用的核電站和原子彈等;另一類叫核聚變能,目前人類在和平利用方面尚未取得技術突破,但是已經成功研制氫彈。
與其他能源相比,核能具有巨大的威力,能量密度極高,若能夠科學有效地開發利用,那么就可以為人類提供巨大的能量。
從核反應釋放能量對比中,盡管從總體上釋放能量巨大,但是核裂變與核聚變釋放能量也存在較大差異,后者釋放能量比前者更大。
比如,對于核裂變,一公斤鈾原子核全部裂變釋放出來的能量,約等于2700噸標準煤燃燒時所放出的化學能。
一座100萬千瓦的核電站,每年只需要25-30噸低濃度的鈾核燃料,而運送這些核燃料大約只需要10輛卡車。
而對于相同功率的燃煤發電站,每年則需要300多萬噸原煤,而運輸這些煤炭則需要1000列火車。
如果將核聚變與核裂變相比,那么核聚變反應釋放的能量比核裂變反應釋放的能量更大,簡直不在一個數量級上。
根據科學測算,一公斤煤炭能使一列火車開動8米,一公斤裂變原料可使一列火車開動4萬公里,而一公斤聚變原料可以使一列火車開動40萬公里,距離相當于從地球到月球。
對于核原料資源來說,地球上蘊藏著大量的鈾、釷等核裂變資源,如果能夠充分利用這些原料,那么就可以滿足人類上千年的能源需求。
另外,海洋中蘊藏著大量(不少于20萬億噸)核聚變資源-氫的同位元素氘,如果未來在科技上實現可控核聚變的重大突破并加以和平利用,那么這些氘的聚變能相當于幾萬億億噸煤炭,可以能滿足人類上百億年的能源需求,能源問題可以完全得到解決。
二、核能科技演變歷史回顧
核能是人類歷史上的一項偉大發現,本質上是科學技術進步的重大產物,更是人類文明演變過程中的重大突破。
當然,每一項重大科技進步都離不開科學家,核能發現其實就是科學家尤其是早期西方科學家對人類社會發展和進步的重大貢獻,正是一大批科學家的不懈努力和積極探索,才為核能開發和利用奠定了堅實的理論基礎。
對于核能科技來說,人類社會可以直接追溯到19世紀末的科學發展,尤其是英國物理學家湯姆遜發現了電子,人類社會才開始逐漸地揭開了原子核的神秘面紗。
在核能發展中,以下科學家極其具有代表性的科學發現,奠定了人類現代核能開發和利用的基礎,值得我們后人的深刻記憶。
1.發現X射線
1895年11月8日,德國物理學家倫琴在進行陰極射線的實驗時第一次注意到放在射線管附近的氰亞鉑酸鋇小屏上發出了微光,那么是什么原因導致這些微光的出現呢?
倫琴經過幾天廢寢忘食的研究,確定了熒光屏的發光是由于射線管中發出的某種射線所致,因為當時對于這種射線的本質和屬性還了解得很少,因此將這種射線稱為X射線,意思就是未知射線。
1896年1月23日,倫琴用X射線拍攝了維爾茨堡大學著名解剖學教授克利克爾一只手的照片,克利克爾建議將這種射線命名為倫琴射線。
2.發現放射性
1896年3月,法國物理學家貝克勒爾發現,與雙氧鈾硫酸鉀鹽放在一起但包在黑紙中的感光底板被感光了,據此推測可能是因為鈾鹽發出了某種未知的輻射。
1896年5月,貝克勒又發現純鈾金屬板也能產生這種輻射,因此確認發現了天然放射性現象,后來科學家將這種現象取名為放射性,也稱其為天然放射性。
發現天然放射性具有劃時代意義,為原子核物理學和粒子物理學的學科發展奠定了實驗基礎。
3.發現放射性元素
1898年7月,居里夫婦發現了新的放射性元素,其放射性強度比鈾的放射性強四百倍,居里夫人建議將其命名為釙。
在此基礎上,居里夫婦密切合作,建立世界上最早的放射化學工作方法。
1902年,經過三年多時間的艱苦研究,居里夫婦從數噸殘渣中分離出微量的(一分克)氯化鐳,并精確測得鐳的原子量。
4.提出質能轉化公式
1905年,大科學家愛因斯坦提出了著名質能轉換公式,既E=MC,其中E代表能量,M代表質量,C代表光速。
提出上述公式是愛因斯坦在科學領域最大的貢獻之一,揭示了物質與能量之間的邏輯關系,主張物質就是一種能量形式。
5.發現質子
1911年,英國物理學家盧瑟福根據α粒子散射實驗現象提出了原子核式結構模型,該實驗被評價為“物理最美實驗”之一。
1919年,盧瑟福做了用α粒子轟擊氮核的實驗,從氮核中打出的一種粒子,并測定了它的電荷與質量,它的電荷量為一個單位,質量也為一個單位,盧瑟福將之命名為質子。
盧瑟福關于放射性的研究確立了放射性是發自原子內部的變化,放射性能使一種原子改變成另一種原子,打破了元素不會變化的傳統觀念,使人們對物質結構的研究進入到原子內部這一新的層次,開辟了一個全新的科學領域-原子物理學。
6.發現中子
1931年,約里奧·居里夫婦公布了關于石蠟在“鈹射線”照射下產生大量質子的新發現。
英國物理學家查德威克意識到,這種射線很可能是由中性粒子組成,這種中性粒子是解開原子核正電荷與它質量不相等之謎的鑰匙。
1935年,查德威克通過研究約里奧·居里夫婦做過的實驗,用云室測定這種粒子的質量,結果發現這種粒子的質量和質子一樣,而且不帶電荷,并將其稱為中子。
7.發現核裂變
1938年,德國科學家奧托·哈恩用一種慢中子來轟擊鈾核時,竟出人意料地發生了一種異乎尋常的情況,反應不僅迅速強烈、釋放出很高的能量,而且鈾核分裂成為一些原子序數小得多的、更輕的物質成分,這就是核裂變的發現。
8.啟動世界第一座核反應堆
1942年12月2日,美國芝加哥大學成功啟動了世界上第一座核反應堆-芝加哥一號堆,內部成功產生了可控的鈾核裂變鏈式反應,從此開啟了人類的原子能時代。
9.美國對日本投放原子彈
1945年夏,第二次世界大戰接近尾聲,日本敗局已定,但是日本政府于7月28日拒絕接受《波茨坦公告》。
1945年8月6日和9日,美國先后在日本廣島和長崎各投下一顆原子彈,極大地震動了日本朝野。
1945年8月15日,日本天皇裕仁式發布《終戰詔書》,宣布無條件投降。
10.世界第一個商用核電站
1954年,前蘇聯建成了世界上第一座核電站-奧布靈斯克核電站,但在建設初期屬于最高機密,即使是身處建設工地的工人也不知道自己究竟在建造什么。
1954年6月27日,俄語廣播電臺播報的一條新聞震驚世界,前蘇聯建成了世界上第一座5000千瓦發電量的核電站,由此開啟了人類和平利用核能的時代。
三、核能發展歷程
核能發展并非一帆風順,在發展過程中始終存在各種爭議,也充滿著坎坷或波折。
根據文獻查閱,世界核電發展大致可以分成四個階段:實驗示范階段、高速發展階段、減緩發展階段和逐漸復蘇階段。
1.試驗示范階段(1954-1965年)
在這一發展階段,全球共有38個核電機組投入運行,由于核反應堆屬于早期原型反應堆,因此在核電領域被稱為第一代核電站。
在這期間,核電站建設和運行的國家比較少,走在前沿的國家包括前蘇聯、英國、美國、法國和加拿大等國,而且發電規模也比較小,基本上處于試驗示范階段。
2.快速發展階段(1966-1980年)
在此時期,由于全球爆發石油危機,西方國家調整能源政策,急于尋找替代能源,核電得以快速發展,全世界共有242個機組投入運行,在核電領域屬于第二代核電站時期。
在此期間,引領全球核能發展步伐的國家主要還是西方發達國家和前蘇聯,比如美國、前蘇聯、日本、法國等國核電站建設和發展步伐迅速加快,核電規模也快速增加。
其中,法國核電發電量增加了20.4倍,占比由3.7%增加到40%以上,日本核電發電量增加了21.8倍,占比由1.3%增加到20%。
3.減緩發展階段(1981-2000年)
在此期間,由于發生核電站事故,讓世界各國對核能發展產生了強烈的擔憂和恐懼,因此導致核能發展開始緩慢。
1979年3月28日凌晨4時,美國賓夕法尼亞州的三里島核電站第2組反應堆發生事故,渦輪機停轉,堆芯壓力和溫度驟然升高,大量放射性物質溢出。
事故從最初清洗設備的工作人員過失開始,到反應堆徹底毀壞,整個過程只用了120秒。
六天之后,堆芯溫度才開始下降,蒸氣泡消失,氫爆炸威脅解除。
在整個事故中,100噸鈾燃料雖然沒有被熔化,但是有60%的鈾棒受到了損壞,最終導致核反應堆陷于癱瘓。
1986年4月26日凌晨1點23分,位于前蘇聯加盟共和國烏克蘭普里皮亞季鄰近的切爾諾貝利核電廠的第四號反應堆發生了爆炸。
由于爆炸連續發生,引發了熊熊烈火,并導致大量放射性物質散發到大氣層中,輻射塵埃擴散到大面積區域,輻射線劑量相當于美國投放到廣島的原子彈的400倍以上,絕對是一場巨大的人類災難。
核事故發生,直接導致世界核電發展停滯,人類開始重新評估核電的安全性和經濟性,為保證核電安全,世界各國不得不紛紛增加更多安全設施,制定更加嚴格的審批制度。
4.逐漸復蘇階段(21世紀以來)
人類社會進入21世紀以來,隨著全球應對氣候變化問題突顯,能源安全、生態平衡和環境壓力越來越大,作為清潔能源的核電優勢再度顯現,重新進入能源界的視野。
另外,隨著科技進步,核電安全可靠性也在進一步提高,世界核電發展開始逐漸復蘇,許多國家都制定了比較積極的核電發展規劃。
對于西方發達國家,比如美國、歐洲和日本等推進科技進步,先后開發了先進輕水堆核電站技術,也就是第三代核電站技術取得了重大進展,陸續投入商業運行或不斷開展項目建設。
不過,令人遺憾的是,日本發生了重要和安全事故,對世界核能發展再次形成壓力或阻力,促使各國政府更加重視核安全問題。
2011年3月11日,日本東北太平洋地區發生了里氏9.0級地震,緊接著發生了巨大海嘯,導致福島第一核電站和福島第二核電站受到了嚴重影響,迅速引起全球對核能安全問題的矚目。
2011年3月12日,日本經濟產業省原子能安全和保安院宣布,受地震和海嘯的影響,福島第一核電廠的放射性物質出現外部泄漏。
在這次核事故后,全球再度關注核能發展問題,尤其是歐洲各國出現了關于“棄核還是親核”的明顯分歧。
然而,核事故陰影仍然在許多國家和民眾心里揮之不去,直接影響政府決策。
福島核事故發生之后,西班牙、德國、比利時和瑞士都先后宣布要放棄核能或減少對核能依賴。
自2019年歐盟提出碳中和目標以來,各成員國對“煤炭退出”議題基本達成了一致意見,但是對于核電發展問題目前仍然存在重大爭議,有些國家表示要棄核,但也有國家堅持核能發展。
綜合世界各國政策趨向,總體上依然堅持穩健、安全的核能發展思路,未來全球范圍內核能發展空間巨大。
四、核能發展現狀
目前,在全球范圍內,世界各國均面臨著應對氣候變化和能源安全保障等多重約束,核能開發和利用將成為許多國家的無奈選擇,更是為應對氣候變化和加速能源轉型,實現經濟低碳發展的必然選擇。
目前,核電與水電、煤電一起構成了世界電力的三大主要來源,在世界能源結構中具有重要地位。
世界目前已經有30多個國家或地區建有核電站。
歐洲是核電發展比較積極的地區,在歐盟27個歐盟成員國中,有13個國家在役核電站103座,發電量占歐盟總發電量的25%左右,明顯高于全球10%左右的平均水平。
根據國際原子能機構(IAEA)數據,在2021年世界各國電力結構中,核電占比超過10%的國家有22個,占比超過25%的國家有13個,占比超過50%的國家有4個。
從具體國家核電發電量占比來看,法國占比為69.0%,烏克蘭為55.0%,韓國為28.0%,俄羅斯為20.0%,美國為19.6%,加拿大為14.3%,英國為14.8%,日本為7.2%,中國為5.0%,印度為3.2%。
根據國際原子能機構(IAEA)統計,截至2022年6月底,全球在運核電機組有440臺,總裝機容量約為3.94億千瓦。
從核電裝機運行數量快來看,美國有92個,法國有56個,中國有55個,俄羅斯有37個,日本有33個,韓國有25個,印度有22個,加拿大有19個,烏克蘭有15個,英國有11個,其他國家總計有75個。
根據國際原子能機構(IAEA)統計,截至2022年6月底,全球在建核電機組共有53臺,總裝機容量約為5437.7萬千瓦。
從具體國家在建核電機組容量來看,中國為30.19萬千瓦,印度為15.90萬千瓦,俄羅斯為7.55萬千瓦,韓國為5.66萬千瓦,土耳其為5.66萬千瓦,其他國家總計為35.85萬千瓦。
截至2022年4月,全球在建核電裝機規模達到了一億千瓦,土耳其等30多個原來沒有核電站的國家都計劃新建核電站,全球核電產業處于加速回暖步伐之中。
許多西方發達國家,比如歐盟、英國和韓國等國都在釋放出重啟或加快核電發展的積極信號,就連承諾“2022年底棄核”的德國國內也出現了延長核電壽命的聲音。
由于俄烏沖突,導致歐洲能源危機,能源價格飆升,實現碳中和目標與保障能源安全問題變得更加突出,迫使國家調整核能政策。
從國家層面來看,核能在各國能源供給中所扮演的角色呈現出巨大的差異,各國在核能發展政策方面存在區別。
對于多數經濟體來說,比如美國、加拿大、中國、俄羅斯、英國、印度、波蘭、阿根廷、巴西、埃及、芬蘭、匈牙利、沙特和烏茲別克斯坦等對核能發展持樂觀態度。
1.美國政府一直指出核能發展
1951年,美國首次利用核能發電。
美國是目前世界上核能發電量最多的國家,擁有有93座核反應堆,占全球核能發電量總量的24%,核電占清潔電力的50%以上。
2020年,美國啟動了先進反應堆示范計劃,計劃投入總額1.6億美元,支持建造兩座可在五至七年內投入運行的示范反應堆。
2021年,美國基礎設施法案對先進核反應堆示范項目投資和清潔電力標準做出規定,將更有效激發美國現有核工業的潛力。
美國還宣布了一項2500萬美元的“核期貨一攬子計劃”,旨在推動現代核能發電和創新發展,并與其他國家建立伙伴關系,以支持美國實現核能發展目標。
另外,美國也開始發展小型核反應堆,小型模塊化反應堆(SMR)設計認證正在持續進行之中。
2.加拿大推進核能產業發展
2020年,核電占加拿大總發電量的15%左右。
2018年,加拿大于發布了小型模塊化反應堆(SMR)路線圖。
2020年,加拿大發布了小型模塊化反應堆(SMR)行動計劃,詳細列出了多種應用開發、演示和部署小型模塊化反應堆(SMR)的后續步驟。
2021年3月,加拿大政府宣布為莫爾泰克斯能源公司提供5600萬加元資金,用于開發加拿大大西洋地區小型模塊化反應堆(SMR)。
目前,加拿大安大略省的達林頓和布魯斯核電站正耗資260億加元進行翻新工程,以使核電站能夠在本世紀中葉之后繼續運行。
3.中國核能發展迅速
截至到2020年底,中國大陸運行核電機組共有49臺。
盡管中國2020年核電占比僅為5%,但已經僅次于美國和法國,成為世界第三大核能生產國。
中國目前在建核反應堆有18座,計劃建設的有39座。
根據“十四五”規劃,中國明確提出核電運行裝機容量要達到70吉瓦,并加大自主技術研發推廣力度。
4.俄羅斯堅持核能發展
1954年,前蘇聯的第一座核電廠開始向電網送電,隨后核電在全球范圍內出現高速發展。
作為世界能源出口大國,俄羅斯核能技術出口一直是國家戰略,而且沒有受到日本福島核事故的影響,堅持發展核能產業。
在核能技術方面,包括三代反應堆(VVER)和小型模塊化反應堆(SMR)等方面,俄羅斯都處于世界領先水平。
2021年,俄羅斯批準建造浮動式小型模塊化反應堆(SMR)船隊計劃,以便為俄羅斯遠東地區采掘業提供動力。
截至到2020年底,俄羅斯核能在能源結構中占比為20.28%,目標是在2045年前將核電在俄羅斯能源結構中的占比提高到25%。
5.英國堅持以往核能政策
2020年底,英國政府發布了《能源白皮書》,強調核能對于其兌現2050年氣候中和目標中的作用。
到2024年,英國還將至少再建一座核電站,支持研發先進反應堆技術和核聚變反應堆技術持,目標是2050年核容量增加到40吉瓦。
6.印度制定核能發展計劃
印度計劃到2030年建造21座新的核電站。
7.波蘭計劃發展核能
2021年,波蘭政府批準了一項面向2040年的能源政策,計劃開發6-9吉瓦的核能作為多元化能源組合的一部分,以降低對煤炭和進口天然氣的嚴重依賴。
波蘭第一座核電站有望在2033年啟用,預計到2043年還會額外增加五座。
當然,也有不少發達經濟體,比如法國、德國、韓國、西班牙、比利時、瑞士等計劃逐步降低核電份額,或堅持最終淘汰核能,但是未來這些國家的核能政策仍然存在變數。
1.法國提出重振核電戰略
法國目前是世界上核電占比最高的國家,核電發展也由于日本福島核事故發生后而陷入停滯,比如最新一座核電站的第三個核反應堆于2007年便開工建設,但是至今仍未完工。
在過去一段時期,由于在歐洲乃至全球興起了一股反核的浪潮,法國也曾經嘗試能源政策調整,比如要降低核電比例等。
2014年,法國時任總統奧朗德決定到2025年將核電發電量占比從當時的75%降低到50%。
2018年,法國時任總統馬克龍曾經宣布,到2035年法國將關閉14座核電站。
2020年,法國在《中期能源規劃》和《長期脫碳戰略》中,強調核能是法國能源戰略支柱,但同時也承諾將在2035年以前關閉14座核反應堆,把核電比例從2020年的70%多降到2035年的50%。
然而,俄烏沖突爆發,時運發生扭轉,在能源安全風險不斷加劇之際,法國政府也被迫重新審視核電在國家保障能源安全中的作用。
2022年2月,法國總統馬克龍宣布,為了確保實現能源獨立和碳中和目標,法國將重振核電產業,計劃在2050年前新建6座第二代歐洲壓水式反應堆,并研究再建設8座其他核反應堆,核能將成為法國能源轉型和脫碳政策的核心。
2.德國開始出現動搖
2021年,德國核電占總發電量的11%。
日本福島核事故發生之后,德國宣布淘汰多座老舊核電設施,并計劃在2022年底前徹底關停核電站,至今境內僅剩最后3座核電站。
2021年,由于天然氣價格高漲、海上風電發電量不足等影響,德國出現了嚴重的電力供應短缺,不得已重啟了部分燃煤發電。
根據國際能源署統計,2021年德國燃煤發電量同比增長25%,打破了連續8年下降趨勢,溫室氣體排放量出現反彈。
根據媒體報道,德國為了擺脫對俄羅斯能源依賴,也曾考慮過調整核電關停政策,延長現有核電站使用壽命,但是在權衡利弊之后,依然堅持“棄核”政策,但是無疑將進一步加劇能源安全風險。
2022年6月19日,德國公布緊急法案,將延后退役并重啟約1000萬千瓦煤電機組,以便減少天然氣消費,緩解能源短缺危機,意味著溫室氣體排放將進一步增加。
如果德國能源供應問題持續惡化,也不排除該國調整核能政策。
3.韓國宣布重啟核電
核電是韓國電力的主要來源之一,目前在運核電站24座,發電占比將近30%。
文在寅政府經曾主張韓國要逐步淘汰核電,并于2017年決定取消新建核電計劃,幾座已經開工的反應堆也被迫停建。
2020年,韓國文在寅政府提出了“2050年實現碳中和”目標,并計劃將核電發電量占比由2020年的30%降至2050年的6%左右,可見這屆政府具有明顯的“棄核”傾向。
然而,韓國新任總統尹錫悅與前任總統形成巨大差異,沒有持續原有政策取向,而是轉而支持核能發展。
尹錫悅在總統競選階段,就力求扭轉“棄核”政策取向,2022年5月上任后便著手開展核電重啟、新建和延壽等工作,決定重新啟動新韓蔚核電廠3號和4號機組建設,將核能作為實現碳中和目標和保障國家能源安全目標的作為重要支撐手段。
4.其他歐洲國家也在調整核電政策
2021年12月,荷蘭重新將發展核電提上重要的議程,并計劃新建2座核電站。
2022年3月,比利時宣布將2025年廢除核能的計劃延后10年。
2022年4月,英國宣布將在2030年前新建8座核電站,以確保經濟社會穩定運行不再受全球油氣市場波動的影響。
可以看出,在能源安全面臨巨大挑戰的現實情況下,歐洲多國被迫改變態度,重新考慮倚重核電。
五、核能發展前景
核能是不可再生能源,但核能是清潔能源,是人類最具希望的未來能源之一。
核電作為低碳清潔能源,能降低溫室氣體排放。
與煤炭或天然氣發電站相比,核電的熱源的裂變反應,形成閉合回路,沒有二氧化硫和氮氧化物等排放。
總體而言,核能發展與其作用相比還有很大不足,潛力亟待挖掘。
核能與可再生能源相結合,構成全新的混合能源系統,可以顯著減少溫室氣體的排放,而且因其固有的高安全性和高效率的熱電聯產能力,可以滿足不同用戶的電力需要。
根據核電生命周期,每發一度電二氧化碳排放僅為10.9克,遠遠于煤電、氣電、水電和光伏等其他發電方式。
在核電發電中,二氧化碳排放主來來自燃料開采和廢棄處理環節。
核能除了核電之外,非電力應用潛力也十分巨大。
比如,核能技術可以滿足某些電力和供熱領域的生產要求,包括海水淡化、制氫、原油開采、石油化工、船舶運輸甚至是太空應用。
因此,綜合考慮清潔低碳、經濟性、靈活性和能源安全等要素,核能將為全球應對氣候變化和實現碳中和目標中發揮重大作用。
從核能技術趨勢上看,人類突破核聚變技術將是未來發展方向,尤其是在核聚變幾乎不存在放射性污染問題,因此核聚變可以成為人類社會未來發展和文明演化的理想能源之一。
(本文作者介紹:對外經濟貿易大學一帶一路能源貿易與發展研究中心主任,中國國際低碳經濟研究所執行所長)
責任編輯:陳修龍
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