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小核电升温 技术之争启幕

2019-05-23 11:47栏目:投资
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  在传统核电发展遇挫的当下,小型核电受到业界越来越多的青睐。核电企业纷纷规划选址,跑马圈地,小核电能否带动核电产业再次复兴?

  在全球核电遭遇寒冬,我国内陆核电审批无望的当下,核电公司在小核电方面的布局,似乎为整个行业带来一丝回暖的迹象。

  小核电没有内陆和沿海的限制,有其特有的发展前景。曾参与我国第一座生产堆设计的中国工程院院士叶奇蓁如此表示。

  换言之,小核电是不受国家十二五期间暂停内陆核电发展条框限制的,或许,小核电可以重新开启内陆核电市场。中核要把小核电做成一个产业,而非一个战术性的行动,我们的市场开发团队已经深入到衡阳、江西、兰州、莆田、吉林、牡丹江等地选址,有沿海,也有内陆。中核集团核动力事业部副主任程慧平说道。

  程慧平是中核集团小核电团队的主要负责人,也是国内少数深入研究小核电的专家之一,他坦言,中核集团自从2010年启动小型堆ACP100的研发工作以来,已经投入研发资金6亿元,2013年,ACP100的设计就会完成,项目一旦通过国家相关部门的审批就可以开工建设了。

  中核是启动小核电最早的企业,从九五期间,该公司就开始储备技术。而其他几家核电企业也纷纷步其后尘中电投正在湖南永州为小核电选址;中广核专门在中科华核电技术研究院旗下成立了小型核电研究团队,加速开展研发工作;华能石岛湾高温气冷堆核电示范工程已经开工。

  应该说,华能石岛湾项目是国家核准的第一个小型堆示范项目。我们已经向国家能源局送审了ACP100莆田示范项目的项目建议书,希望也能作为一个示范项目推进,莆田项目跟华能的高温气冷堆技术路线不同,我们选用的是国内、国际更为成熟的压水堆。程慧平解释说,现在我国力推的AP1000就是压水堆。

  不仅仅是国内企业,西屋、阿海珐、东芝等国外企业也开始介入小核电领域,并表示看中了中国市场,我们从2010年年底就开始积极开展西屋小型模块核反应堆(SMR)的设计,预计在2014年中期向美国核管会提交SMR的设计认证申请,并计划于2021年在美国阿莫林密苏里公司的卡拉威核电站第一次正式商用小型堆技术。西屋首席技术官兼高级副总裁恺瑟琳接受《能源》杂志记者采访时表示,希望如同当初的AP1000一样,加强与中国的合作。

  美国是较早提出小型堆的国家之一,总统奥巴马近期提出要建设500个小型堆来替代老旧的火电机组,在2012年3月奥巴马宣布,计划在今后的5年出资4.53亿美元用于支持模块式小型堆的研发。

小核电升温

  按国际原子能机构(IAEA)的定义,核电小型堆功率在300MWe以下,是一种采用模块式设计、单堆功率较小的一体化压水反应堆。一些国家评价小型堆为核能工业的转折点、开创核能多用途新时代。据悉,IAEA已于2004年6月启动中小型堆的开发计划,同时成立革新型核反应堆协作研究项目,成员总数至今已达到30 余个。

  数据显示,全球有26座小型堆处于运行中,有4座小型堆处于建造阶段。但与各个国家的预期相比,这个数据只是冰山一角。奥巴马一直力推清洁能源的发展,他曾表示,美国接下来是核选择,美国参议院有一项新议案,将小堆开发列入联邦政府资助名单。西屋公司是从中受益的企业之一,恺瑟琳坦言,政府的帮助对小核电的发展是必要的,西屋开始小型堆的设计可以追溯到上世纪60年代,并且拥有超过15年的先进小型堆发展经验,新型的SMR也于2010年开始设计堆型。

  在欧洲,法国和俄罗斯也在加紧布局小核电;在亚洲,日本东芝公司高调宣称其研发的10MWe小堆30年内不必更换燃料,可供日本3000个家庭用电。

  在中国,各企业都在花大力气做研究,中核已经开始申报莆田项目。叶奇蓁一直关注着小核电的新动向。

  据程慧平介绍,中核尽管从九五期间就开始储备技术,但真正作为一个产业固定下来是从2010年开始的,也是从那一年,ACP100的堆型被确定了下来。2011年4月,中核集团成立中核新能源有限公司,专门负责小型核电站的推广和建设。

  随后,主管小核电的核动力事业部于2011年11月16日挂牌成立,定义范畴为开展核动力技术研发、工程设计、工程建设、设备设计和制造、技术支持与服务等业务领域。中国核动力研究设计院、中国核电工程有限公司、中国中原对外工程有限公司、核动力运行研究所、中核新能源有限公司、中核科技实业股份有限公司等纳入核动力事业部。

  小堆的选址比大堆更灵活,向内陆发展就更有可能,我们采取了广撒网的模式。中核集团核动力事业部工程师高志虎说,我们正在做一个课题,是小核电厂址适应性研究,现在还没结题,但是初步得出了结论:一是小堆的适应性好,二是小堆取消或简化场外应急是有可能性的。

  程慧平的团队有几百名技术专家,他说,有这个团队才具备了把小核电作为一个产业发展的基础。程慧平坦言,中核是为了实现差异化发展,当其他核电公司热衷于做140万、170万大机组的时候,我们选择做小的,以避免不必要的竞争。

  日前,中核选出了各方面条件较好的莆田项目进行申报,但还是比华能晚了一步,华能石岛湾的高温气冷堆项目已于2012年年底正式开工。华能核电开发公司原总经理王迎苏表示,小型的高温气冷堆比大型堆将更能适应市场需求,看好其商业前景,而且由于安全性高,这一堆型可以建在城市周边,避免了远距离传输的,尤其可以满足发展智能电网和分布式电源的要求。

  中广核是第三家宣布进入小核电的企业,中广核集团副总经理张炜清在2012年提到,将抓紧推进先进小型堆(核电站)的研发安排。2012年3月,中科华研究院邀请美国俄勒冈州立大学吴樵教授来华,俄勒冈州立大学在小型核电站的研发设计领域有很高的地位。

  此外,中电投也在进行小核电的选址考察工作。某不愿具名的核电企业人士如此来评价四大公司的动作:中核和华能有技术,势必想自己做;而中广核和中电投反之,存在技术上的缺陷,他们可能会采取另外的策略,比如对外引进先进技术。

  小核电热之所以突然升温,中核集团核动力事业部工程师廖玮将其总结为环境驱动和市场推动两个因素,他解释说,节能减排的压力,全球尤其是发展中国家核电的复兴,智能电网、分布式能源的热炒,以及小核电的多用途需求,自我融资能力的便利,发生事故的低概率都是直接原因。

技术之争启幕

  如同大核电一样,小核电也存在技术之争,各企业有不同的思路。叶奇蓁说。

  据高志虎介绍,现在国内主要有三种技术,一是华能石岛湾的高温气冷堆,二是清华大学在研究的低温核供热堆,也称NHR,第三个就是以中核的ACP100为代表的压水堆。现在国际上70%都是压水堆,国内也是压水堆占主导地位。

  气冷堆在核燃料后处理方面还不完备,陶瓷燃料球不如压水堆燃料棒好处理。如果再次利用,则需要对陶瓷燃料再做一个闭合的产业链。上述人士说,但是,高温气冷堆可以利用独有的高达六七百度的蒸汽优势制出优质的氢气,这是其他技术类型均无法达到的。

  对于压水堆,程慧平说,这是当前最成熟的技术,与AP1000是同一体系,ACP100比AP1000难在做小上,就像电子元器件一样,以前二极管像笔帽那么大,现在是微电子级的了,同理,小核电做小很难,现在做成了系统集成可谓一项创新。

  西屋电气公司已正式推介其200MWe小型模块核反应堆,并准备在美国能源部的示范项目中发挥作用。西屋的SMR采用了高模块化的设计,组件可以用铁路、卡车或是驳船运至建造现场,除此之外,该设计可以适应电网由于接入大量可再生能源电站所带来的对于稳定性的要求。恺瑟琳说,西屋有信心成为美国和全球首个SMR电站的技术提供方。

  对于各国的新技术,廖玮特意做了一番研究,他分析道,美国、日本、俄罗斯、韩国、阿根廷等国家正在展开激烈的竞争。美国西屋公司的IRIS是典型的一体化反应堆,反应堆功率在800MWt,电功率225MWe,非常高效。而美国巴威公司的小型压水堆mPower则是一个一回路一体化布置,单堆热功率500MWt,电功率125MWe。2011年美国DOE投资3800万美元用于中小堆开发,mPower是其中被资助者之一,巴威公司已经在2012年取得设计认可证,2016年年底取得设计运行许可证,2020年建成发电。

  韩国国家原子能机构开发的小型压水堆SMART是一体化强迫循环压水堆,热功率为330MWt,2011年完成标准设计和取证,2012年开始建造。俄罗斯联邦机械制造试验设计局开发的小型多用途核电源KLT-40S属于紧凑布置的强迫循环压水堆,单堆热功率150MWt,已完成详细设计并取证。另外,俄罗斯还有VBER150、VBER300两种类型。

  据程慧平介绍,面对如此多的小核电技术,法国政府也坐不住了,日前法国政府批评阿海珐公司,将注意力都放在了单机容量过大、安全冗余度过多、过于复杂、造价过高、经济竞争力低的第三代欧洲压水反应堆(EPR)上,建议阿海珐也应该提供一些小型的、足够安全、更廉价的核反应堆。

  根据廖玮的统计,当下国际上有45种以上革新型中小型反应堆概念和设计,部署目标介于2012年至2030年之间。

不仅仅是供电

  西屋相信迅速发展的小型堆会是大型商用核电项目的补充,能进一步拓展核能利用的层面。在化石能源电站的更新换代中,小型堆能替代那些较小容量的电站。这是恺瑟琳对小核电的定位。

  但是,廖玮说,对于小核电,国际上的能源表达需求是电20%,热需求8%。

  也就是说,并非所有的国家都如同美国一样需要用小核电来替代传统电力,而是把其当作他用。美国与我国的国情不同,他们电力领先我们至少20年,美国需要电源替代,而我国正是经济大发展时期,电力还不够用,何谈替代。程慧平说。

  小核电不仅仅是发电,还可以综合利用,比如供暖、海水淡化、制冷、工业用热、为海上平台提供能源、为破冰船提供动力等等。叶奇蓁称。

  西屋也在关注发展中国家对核能的新应用,恺瑟琳表示:小型堆能应用的行业,其一包括供电、供热、水处理、热电联产等工业。其二,小型堆能为其它能源的生产提供能源,诸如油砂、页岩气和煤变油的生产。

  专家称,中海油的采油平台就有此需求,现在中海油一直是用伴生油气在发电,价格比较贵,气源又没保障,小核电就可以在此发挥作用。

  其实,中核在上世纪90年代就曾着手做一些核能综合利用的项目,比如天津的海水淡化、吉林的供热项目,但是都无疾而终。原因是多方面的,一是当时的项目本身有制造缺陷,比如吉林的供暖项目只能冬天供热,夏天用不上,现在的新技术可以做到夏天制冷和发电了。

  而天津的海水淡化没有推行下去,症结在于居民的可接受性问题,当时公众一直对核做的海水供热进入供热系统持质疑态度。大家心存顾虑,最终天津选择了反渗透法,但是反渗透法的水质其实还没有核淡化的水质好。程慧平说。

  事实上,核能海水淡化并非一个新概念,而是一项日趋成熟的技术,美国、日本已有多年的核能海水淡化业绩。1972年至1999年年间,位于里海沿岸的哈萨克斯坦第六大城市阿克套的一个核反应堆一天就可生产出135MWe的电力和8万立方米的饮用水。目前很多地方使用矿物燃料淡化海水,波斯湾沿岸等石油丰富的国家基本依靠海水淡化生存,不可避免排放着大量的温室气体。核能海水淡化不但节能,而且温室气体零排放,这项技术是解决水危机最清洁和最高效的方式。

  采访中,几乎所有的采访对象都提出小核电将成为热电冷三联供的理想热源。由于能源结构的原因,城市冬季供热以燃煤为主的局面短期难以扭转。为减少输热损耗,热源一般建在城市附近或居民区内,在市内大量燃煤造成严重的环境污染,而且煤炭还是温室气体的强排放能源。我国三北地区兼顾城市供热的约8000万千瓦纯凝小火电机组能耗高、污染重,淘汰落后小火电必须有替代能源。核能热电联供及工业工艺供热有广泛的市场,但这些用户对单堆容量的需求较小,区域性强,并对安全性和厂址条件提出了更高的要求,核反应堆必须尽可能靠近热用户,距人口密集区较近,必须采取特殊安全措施来适应。针对这些条件和要求,大型反应堆很难适应这些领域的应用,小型堆在核能非电应用方面是大型反应堆无法替代的堆型。

  但是,企业们还是有所担心,供热价格非常低,市政供热系统都是政府补贴,在城市中供热能否顺利收回供热费是最大的问题。

  另外,当前随着智能电网、分布式能源概念的实施,小型堆用于岛屿、石油钻井平台及企业自备电厂等发电成为一个新热点。受地质、气象、冷却水源、运输、电网容量和融资能力等条件的限制,我国内陆未联网地区和其他一些发展中国家对中小型堆发电存在实在的需求。小型堆投资小、占地少、建造方便、厂址适应性强,可以应用于大型反应堆机组无法应用的场合,如中小规模电网。小型堆可满足广大发展中国家中小规模电网稳定性要求以及电力需求增长率较低的国家市场需求。从世界范围内电站规模分布来看,大多数的发电厂机组容量低于500MWe,这有利于电网尤其是中小电网的稳定。

经济性和立法掣肘

  既然小核电的用途如此广泛,为何还未能大规模应用?面对这个问题,叶奇蓁的回答简单而又直切要害,国家对小堆挺支持的,但是业界普遍对小型堆的经济性提出了质疑,原因在于堆小了比功率造价就高了,经济性不好就会丧失市场。如何做到既要有市场,价格又合理,这才是难题。

  但叶奇蓁转而又提到,不尝试谁又知道能不能做好呢。所以还是要有试点,要做示范,要尽早进行商业化运行。

  当然也有专家和公司并不看好小核电,国家核电技术公司专家委员会专家汤紫德就持有这种观点,他电话中对记者说,从经济上看,小堆是比不上大堆的,因为设备还是那么多,小堆减少的设备有限。从规模上看,一个100万千瓦的肯定比10个10万千瓦的经济性要好。汤紫德所供职的国核技至今也没涉及小核电的研发业务,反而是越做越大,朝着AP1400,甚至是AP1700前行。

  对于经济性问题,高志虎给出了不同的解释,他说,不能仅仅从比功率的造价来评价其经济性,还要要看综合的经济性。如果一些地区的负荷不需要那么多电,比如某个地区只有40万千瓦的负荷需求,抑或电网容量只能接受40万千瓦,建了一个60万千瓦的核电站,将功率降低到67%来运行,未必比4个10万千瓦的小核电站更划算。另外,4个10万千瓦的小核电更利于实现滚动发展,能有效减小融资的压力,这或许就是小型堆比大型堆更容易卖出去的原因。

  程慧平也持相同的观点,他提出,现在研发还没完全固化下来,造价只是一个估算,我们的目标是跟国内的脱硫脱销后的燃煤电厂的等效电价相比更具竞争性。

  不得不指出的一点是,核电机组的经济性一般随着单堆容量提高会得到进一步改善,但机组容量的增大势必以复杂的安全设施为代价,并与工业制造能力、运输条件、厂址条件和电网容量相适应。而小堆却有独特的优势:第一,由于其本身比较简化,建设周期比较短,造价会低一些,一般大堆的投资在200亿元左右,小堆不超过40-50亿元。第二,小堆更利于滚动开发,一个百万机组大堆需要10年时间建成,在资金比较紧张的情况下投资周期很长,对投资者是不利的,小堆可以缩短到5年左右,更利于滚动开发。5年后可以赚到钱,拿这笔钱去投下一个项目。

  资金流的表现是不同的,大堆是一个非常大的凹坑,但是小堆却没有。对着一张图表,廖玮边比划边解释着。

  除了经济性,小核电的掣肘之处还在于至今国内还没有针对小型反应堆的安全特点和应用条件而设置的相关核安全法规,只能套用大型反应堆的法规标准。

  小型堆在城市供热、工业供热、核海水淡化等方面的用途要求反应堆尽量靠近负荷中心,现行法规对核电厂场外应急的相关规定成为了制约其实现工程应用和推广的瓶颈,要打破此瓶颈,需要减少限制发展区,取消或简化场外应急,亟待从法规标准适应性以及从设计上提高安全性两个方面予以解决。

  小堆必须离居民很近,如果是供热的话传输距离越短热损耗越少。叶奇蓁说。

  程慧平认为,由于模块式小型堆是自主研发的新一代反应堆,没有参考电站,获得安全局的审查、认可将是其进入市场的先决条件,国家相关部门要有一定的认证和安全审查的环节,并在产学研用上都要介入,全面鼓励创新。另外,相关部门还应该在科研成果转化成生产力的角度有一些安排,至少应该主动去打消公众的抵触情绪。

  但恺瑟琳却说:不能把标准的缺失只归结于政府,技术开发方、客户和监管方需要一起合作推进标准化设计和运营。

小核电需要过渡期

  中国本土的核电技术还未发展到能够与国外技术抗衡,应防止小核电重蹈大核电技术引进的覆辙,小核电需要一个过渡期。

  小核电的发展要走哪种模式?是如同大堆的AP1000和EPR一样走引进、吸收、再创新的模式,还是自主研发?与国外企业的合作应该深入到何种程度?如何提高国际谈判的筹码?

  这些大核电发展中曾经遇到的问题,如今再次呈现在小核电的面前,而且紧迫又不可避免。

  国家相关部门必须提前规划。现在做小核电的国际公司一旦开始商业化,会来势凶猛。某不愿具名的核电专家显得有点激动。

  的确,现在中国的小核电市场已经开始启动。采访中,国际巨头声称非常看好中国市场,并试图与中国核电企业接触;国内企业一方面在努力做自主研发,另一方面又在寻求技术转让。

  上述专家坦言,国内外双方企业都有接洽的意愿,但是当中国本土的核电技术还未发展到能够与国外技术抗衡的时候,国外先进技术大量、过早地进入中国,对国产技术来说是抑制,甚至是打击,要尽量避免这种情况在小堆上重现,所以,中国小核电需要一个过渡期。相应地,国外企业也需要这样一个过渡期,来重新审视并展开与中国的合作。

找准合作对象

  在美国,正在兴起一种设计小型分布式设备来为相当于中型城镇大小的地方供电的理念,并把小核电戏称为后院核电站,而且支持者称它们也很安全。

  据美国《财富》杂志报道,位于美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的Hyperion公司正利用经著名的洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)授权的技术开发一个系统,其成本降低到3000-5000万美元,折合成人民币约为1.8-3.1亿元。绰号灰熊的Hyperion公司首席执行官约翰迪尔(JohnGrizz Deal)表示,整个核电站(包括反应堆和防护罩)将只有一个8英尺(约合2.4米)高、5英尺(约合1.5米)宽的热浴桶那么大,它将于2013年下半年问世。Hyperion公司的终极目标市场是发展中国家,我们倾向于在电价昂贵或根本没有电的地方建造。

  美国巴威(Babcock Wilcox)能源公司早在2011年就开始奔走于中国几大核电公司之间交流小核电技术,其首席执行官克里斯特弗莫里公开表示,近些年来科学家在小核电研发上获得的一些技术及制造上的创新有望改变全球洁净能源市场游戏法则。

  韩国也一直在中国力推其小核电技术,韩国原子能研究院院长梁明承坦言,在中国建设大型核反应堆适宜于东南沿海地区,而中小型反应堆则在西部这样比较贫困的地方能够发挥更大的作用。

  面对国际市场的热捧,中核新能源公司总经理钱天林认为,中国必须有针对性的开展国际合作,而且要把这些有潜在合作意向的国家进行必要的细分。

  比如,在设备方面,可以选择德国,德国主要由于政治原因选择弃核,但从未放弃对核技术、核设备的深入研究。例如,德国KSB公司的主泵,是世界最先进的主泵之一。

  再比如,在技术路线和市场推广方面,可以选择韩国、美国、法国和俄罗斯。韩国小堆的技术路线与美国比较接近,其Smart反应堆为当今世界比较先进的反应堆之一。法国和俄罗斯拥有各自独特的技术路线,在法国,阿海珐、DCNS、法国电力公司、CEA替代能源和原子能委员会将会共同合作,进行Flexblue水下核电站的开发。在俄罗斯,由于历史原因,西方国家曾对俄罗斯进行全面技术封锁,反而造就了它独具特色的发展路线。例如俄罗斯实现了快堆商业化。在小堆技术方面,俄罗斯原子能机构研发了KLT-40S破冰船的反应堆,它可以用来供热、供电和海水淡化。

  另外,我国小堆市场需求复杂多样,小堆在东北地区可以实现城区供热;在华北地区可以考虑工业供气、海水淡化;而在经济较为发达的东南部沿海地区,小堆发电可以用来替代煤电;在偏远的西部地区或中小电网或远离陆地的岛屿,小堆可以大大发挥它独特的优势,即热电联供。此外,小堆还可以为海上破冰船和船舰提供动力。这就决定了,不同的地区、不同的项目需要不同的技术和合作伙伴。

  钱天林提出,现在中国核电企业不能盲从,也不能被某项技术牵着鼻子走,而是要广泛收集和掌握市场、技术、设备和规范标准等方面的资料,并对其进行深入分析,根据我们的特点和发展状况有针对性地考虑国际合作。

过渡期中的加速度

  中国已经跻身五大具有完整的核工业体系的国家之一,对于小核电也有三种技术路线,即华能的高温气冷堆、清华的低温核供热堆和中核的压水堆ACP100。并且,前两个堆型都在示范。

  清华的低温核供热堆早在上世纪80年代就小有名气了。1989年11月,5兆瓦低温核供热堆正式临界启动,一个月以后,一次成功地完成了72小时满功率连续运行实验,随后,5兆瓦低温核供热堆又在1991年9月取得了热电联供运行成功,1992年8月取得了低温制冷运行成功。随即,在国家核安全局和国家环保局的主持下,国内一百多位各方面的专家对5兆瓦堆进行了安全审评工作,这是我国首次进行的核工程安全审评。

  中核的ACP100也是九五阶段就着手储备技术,并在2010年正式形成产业规划,截止到2012年年底已完成了ACP100的标准初步设计和初步安全分析报告(PSAR报告),并通过了中核集团的内部审查,其设计验证试验也将于2013年内完成,并于2014年具备浇灌第一罐混凝土(FCD)的条件。

  我们有核工业58年以来举世瞩目的两弹一艇和实现中国大陆核电零的突破的辉煌历程,小核电的技术开发不存在无法克服的问题。主管小核电的中核集团核动力事业部副主任程慧平信心满满。

  但不得不提出的是,三种技术一直未能大规模开发。与此同时,国外已经有几十个小型核电站在运行。上述专家提出,我们只有在拥有正在服役的小核电项目后,才能提高跟外国公司谈判的底气。否则,在国外先进的技术的冲击下,中国小核电的自主研发将面临诸多不可预知的风险。

  当然,爱国主义在市场竞争中是起不到关键作用的,中国是个开放的市场,国际公司的进入不存在任何壁垒。对于中国核电企业而言,则要抓住外资在为大批进入中国市场而做足准备的这个关键期,加快研发和建设的步伐。

  我们也要力争参与国际市场,不仅走入发展中和落后国家的市场,更要积极地迈入发达国家的市场。例如,我们应该抓紧考虑小堆项目走进中东、非洲、南美洲。中东地区的海水淡化市场需求较大,而非洲国家的缺电问题日益严重,南美洲国家因使用煤电从而导致的二氧化碳高排放受到联合国环境署的高度关注。钱天林表示。