客观日本

核能利用的展望与课题

2011年09月17日 科技交流

概要

如今的中国正面临着完全对立的两个难题——为防止全球变暖而削减二氧化碳排放量与实现经济的可持续增长。2006年,中国二氧化碳的排放量为60亿吨,占全世界排放总量的20%以上,已经成为世界上最大的二氧化碳排放国。不过,据报道,中国通过自身在技术革新方面的努力,其二氧化碳排放的削减量在2006年已经超过美国,世界排名第一。在这样的背景下,2007年10月15日召开的中国共产党第17届全国人民代表大会的报告中提出了“生态文明”的理念。

该理念的宗旨是“建设生态文明,基本形成节能资源和保护生态环境的产业结构、增长方式和消费模式”。中国目前的现状是,可以抑制二氧化碳排放量并实现经济持续性发展的“低碳经济”(Low Carbon Economy)的建设已被作为重要课题提上了议事日程,其中特别受到关注的是科技技术所能发挥的作用。

根据以上围绕中国所讲述的情况,在前一期中我们以专题的形式发表了描述新的技术革新状况的题为《可再生能源》的文章。这一期继续刊登有关能源问题的内容,形成了作为传统型技术革新而备受关注的《核能的开发及利用》的专题。

关于核能的重要性,中国核工业集团公司总经理康日新于2007年11月15日在罗马举行的第20届世界能源大会(WEC)上说,“中国政府为减少温室气体的排放,大力发展核能发电和清洁能源产业。”(摘自2007年11月16日的《Chinanet》)。可以看出,中国政府为减少温室气体的排放,十分重视核能发电的发展。通过阅读本期刊载的中国研究人员的各篇论文,您可以了解到中国核能发电的现状及与技术力量相关的最新动向。另外,日本研究人员所撰写的各篇论文中,介绍了日本及世界核能发电的状况及最新技术动向。衷心希望得到大家对本刊完整的阅读。

中国综合研究中心

 1. 前言

 全球的核能发电规模,在进入20世纪70年代之后,以每年约18GW的速度迅速增长,20世纪80年代后期超越330GW,迎来了转折点。自1979年在美国发生三里岛核电站事故的前后起,美国从安全性、经济性方面去考虑,对核能发电失去了兴趣,相关的核能发电新建计划均不了了之。在1986年当时的苏联切尔诺贝利核电站发生了重大事故,也使欧洲人对核能的不安感有所增大,而且石油危机促进了资源开发活动,结果煤炭、天然气的价格下降,也导致在大部分国家,核能发电站失去了相对火力发电站而言的经济竞争力。

但是在化石燃料人均储存量较低且处于经济持续增长状态的亚洲,在事故发生后仍然继续进行核能发电站的建设。其结果是,2007年底,全球有31个国家合计435所达到392GW的核能发电站正在运作,约占世界上15%的电力,供应6%的一次能源。而且,如将此换算成LNG火力,则做出了削减11亿吨二氧化碳(占全球排放量的4%)排放的贡献。

日本自20世纪60年代后期起开始着手核能发电以来,切实地逐步扩大规模,至2007年底,已有55所达到49GW的设备正在运作,分担了总发电电量的约1/3,期间未受到海外形势的影响,持续进行发电,如果将此数据算入国产能源,则可将能源自给率从4%提升至18%,如果换算成火力发电,则做出了每年削减2亿吨二氧化碳、约15%排放的贡献。

本文将针对如此形势下的核能发电的展望,以及为实现此目标而必须致力的课题进行概观描述。此外,以下提及的见解并非核能委员会立场的言论,仅是作者本人的言论,敬请留意。

  2. 我们今后必须做什么

 最近,印度、中国、俄罗斯等国的核能发电站建设活动频繁。此外,目前约有12个国家正在计划新导入的核能发电。国际原子能机构(IAEA)的最新展望是,根据现时的状况,可推断2030年的全球核能发电设备规模,高位可达到748GW的水平,占全球总发电量方面,将维持在现有的14%[1]。

各国之所以有如此高的核能发电站建设意欲,主要原因有以下三点:第一,各个经济高速增长的国家的能源需求,特别是电力需求呈上升趋势,他们日益重视能源的安全保障;第二,能源资源价格上升,核能发电的经济性提高;第三,在必须将大气中的温室气体浓度稳定在与现时相比不高的水平这一国际舆论下,要求各国采用温室气体排放量较小的低碳能源,因此核能发电作为能确保大规模供应力的低碳能源,并且已具备一定实绩,其评估也越来越高。

政府间气候变化专门委员会(IPCC)认为,为了使日益增大的温室气体浓度,在将来对气候变化的影响维持在最低水平,必须在2050年将温室气体排放量降至2000年的一半以下。因此,国际能源机构(IEA)在能源技术展望2008中,探讨了用于实现此目标的经济性、合理性方针,提出了一项目标方案:同年的全球电力中,46%通过可再生能源供应,25%通过核能发电供应。这意味着,在这一年必须有1400GW的核能发电站处于运作状态,这个数字是目前的3倍多,又或者,在今后的40年间,每年要有25-35个设备新投入运作。在过去最高峰的时期,全球也曾出现过此等规模的核能发电站兴建情况,由此可见,实现此数字并非不可能,只是并非易事。

本来,全球到底选择哪一个用以稳定温室气体浓度的行动计划,是交由今后的讨论决定的,因此,上述的行动计划并非唯一的选择。在有志发展的国家,其核能发电技术供应者、使用者,意识到国际社会存在着此等规模的核能发电需求,为了使核能发电技术能够与市场上的其他能源供应技术持续竞争,不断致力提高性能,维持良好的运作实绩;另一方面,对于希望享受核能发电成果的国家,从支援提高国际社会福利的观点出发,也应予以协助,以确保此愿望可确切实现。

在日本,一直探索旨在实现低碳社会行动计划的综合资源能源调查会,于2008年公布了超长期能源需求预见,当中提到,即使2030年的核能发电设备容量在现行规模上增加9座、相当于约62GW的设备,只要能大胆地努力改善能源运用效率,核能发电将可供应40%以上的发电量。

配合这点考虑,可见日本核能政策的主要课题是:第一,对于现有的核能发电站,将目前低迷的核能发电站运作率回复至国际水平,使其安全、安定运作,切实推进核燃料循环工作(包括所需的放射性废弃物的处理处置);第二,切实推进核能发电站的新建工作,确保即使从2030年左右起因大部分设备的使用寿命终结而需要更换,发电设备的规模也可持续递增;第三,作为核能先进国家,积极参与国际社会活动,支援希望享受国际社会核能发电所带来之利益的国家,以日本积累的知识、经验,活用于与这些国家的密切交流上。

 3. 促进核能发电所需要的功能、制度等的基础

 为了促进核能发电,需要具备:能源行政及核能安全、放射线防护、保障措施、核能防护、环境保护等的相关规章制度;国民、设施选址地区等的利益相关者参与上述相关决策的体制;为促进核能发电事业的适当经营能力;电力系统,适用于享受核能发电站作为大规模发电设备所带来的利益;资金调度机制,能应对回报期相当长的大规模投资;核燃料循环事业,包括供应核燃料,开展使用完毕的燃料及放射性废弃物的安全管理活动;供应链,包括为上述事业提供仪器、服务的仪器制造业;维持、充实上述功能所需的人才培养;开发上述活动的基础技术,创造和管理运用该技术的知识的组织及其活动。为了享受核能发电带来的利益,必须完善由总称为核能基础设施的功能、制度等形成的基础,并不断对其进行健全地维护。以下将针对其中最重要的几点,叙述相关人员应留意的事项。

 3.1安全确保工作

核设施的操作,必须将因设施而使公众及操作员遭受放射线、放射性物质灾害的可能性减至最低。为此,核设施在设计、建设、运行时:1) 通常操作时核设施内的放射线照射量以及从设施释放出放射性物质的放射线照射量,均必须控制在规定限制值以下,且尽可能使其达至最低水平;2) 致力防止因自然现象、人为过失、机械故障而导致的异常情况,另一方面,鉴于“人必有失、机械必有故障”,应预先做好准备,以免因此类原因出现的异常情况、事故所导致的放射线影响演变为重大事故;3) 为了高度保持上述功能的可靠性,采取保守的设计,恰当地考虑防止人为过失等人为因素,同时应开展保证设施持续稳定运作的保全活动、确保上述努力没有差错的质量管理活动,并且一切以安全优先,在运作管理组织内形成事事重视安全重要性的安全文化,更应完善有实效性的事故管理对策和防灾对策;4) 通过制定经过上述设计、维护管理的事故防止对策、事故影响缓和对策等,极力减小伴随放射线影响而发生严重事态的可能性,实施反映最新见解的概率论的风险评估,并定期予以确认,当其结果没有满足安全目标时,须马上进行改善,这是相当重要的。

开展上述工作的最重要责任在于核设施的设置者,政府仅对于拥有这些能力的人,使用极大程度上满足上述性能的设备开展上述工作的情况,才会给予例外的实施允许。而上述工作的许可申请者须事前进行评估和审查:是否基于上述思路,使用满足判断为适当的技术要件的设备;包括保全活动开展方式在内的作业规定(保安规定)中是否已经规定如何充分减低灾害风险。在通过上述评估和审查确认后,方允许开展活动。而且,在操业阶段,应基于“trust but verify”的观点,随时通过检查(包括现场会同检查)确认对操作规定的遵守情况。

然而,上述判断,前提是政府使用的技术要件必须维持总是反映最新见解的状态。实际上,当规制行政当局怠于此工作时,最高法院将判决据此做出的行政处理无效。最近与这点相关的主要工作包括对耐震安全性的重新审视。

核设施,要求即使考虑发生地震等自然现象因素在内,也不会对周边公众带来过大的风险,即,应满足安全目标。因此,建设核设施时,应对选址地区周边的活动层进行调查,预测各断层如周期性发生地震时的周期及选址地区将经历的震震动,在用地上只能凭经验求知地震动。在这基础上,为安全起见,假设在设施的正下方无法看见的地方,估计有M=6.5地震的断层,据此计算地震的震动,根据这些综合的评估决定地震动标准,设计时注意确保核设施的重要功能,包括即使发生事故也能控制下来、冷却、封闭等。

日本在经历了1995年兵库县南部发生的地震,以及投入庞大资源研究地震学之后,地震的相关知识得到迅速的积累,相关方重新审视了各地大地震发生的频率。有人指出即使做了调查,那些无法看见的活断层也有可能成为震源,发生M=6.8程度的地震。因此,国家评估过这些新的见解后,2006年制定了新的耐震安全设计审查指针,要求各核设施据此开展耐震安全性的确认。2007年新潟县发生了中越冲地震,柏崎、刈羽核能发电站经历了超过标准的地震动,急切需要开展此项确认工作,目前,所有核设施均对周边的活断层进行更深入的调查,制定符合新方针的、考虑到设施用地地底特性的新的地震动标准,据此实施了耐震安全性的再次评估,并视需要开展强化工程。

 3.2核不扩散的工作

全球致力于实现无核武器世界,1968年签署的不扩散核武器条约(NPT),主要内容包括,对于当时拥有核武器的5个国家以外的国家,承认其拥有和平使用核能的权利,另一方面,禁止其拥有核武器;对于拥有核武器的国家,要求其诚实地进行核军备缩减。由于核武器的材料——高浓缩铀和钚,能够来自用于核能发电的核燃料以及生产、处理核燃料的技术,因此该条约促使各国与IAEA签署了总括性的保障措施协定,所有敏感物项等必须在IAEA的保障措施活动内,也就是说,由IAEA通过计算那些物质的库存量的计量活动及确认其封存状态,确认其是否存在转用于制造核武器的可能性。而且,核物质和核能技术也被限制,不能转移至没有IAEA保障措施的场所。

此外,从1997年起,除了要求各国向IAEA提供核能活动以外的相关活动信息之外,还推荐各国签署《追加协定书》,其中包括了临时会同检查及在任意场所进行取样检查的规定。但是,190个NPT协约国中仅有90(及一家国际机构(欧洲原子能共同体))个国家签署了这份追加协定书。

而且,从公平的观点出发,针对那些拥有核武器的国家,除要求其诚实地致力削减核军备之外,对于非国防相关核能活动的内容,要求与无核国家相同,应在同等的保障措施活动下进行。日本在以双边协定谈判为首的各种场合中,从各方各面指出其重要性,直至最近,核武器国家已经全部接受,已到了与IAEA签署包括追加议定书在内的协定的阶段了。

3.3 确保核安全的工作

从核扩散的观点出发,必须应对的另一可能性是,因非国家主体盗取核物质和敏感信息而导致核扩散。针对此,必须强化存放在核能设施内的核物质防护,限制敏感物项的贸易。针对核能设施的防护,IAEA自1974年发布了各国应遵守事项的劝告以来,引起了各国的重视。这份劝告书,已历经4次修订,目前仍在进行修订。

核物质防护条约规定了国际间运输核物质时各国对于防护所肩负的义务。条约的内容最近经过了修订,将防护对象扩大至国内的核物质,及对其防护方式也做了规定。

70年代成立的核供应国集团(NSG),成为了各国在贸易限制内容上达成意见一致的场所,并以指引的形式规定了NPT加盟国以外的接受核物质等的国家的条件,各国对此相当重视。自1992年以后,该指引要求接受国遵守比NPT更苛刻的条件。

3.4 核燃料循环的相关工作

为使核能发电站正常运作,需要开展核燃料循环的上游部门的工作,包括获取铀资源,精炼天然铀后将其浓缩,对燃料进行成型加工等,以及完善下游部门的工作——一方面从核反应堆的堆芯取出已使用多年的燃料(使用完毕的燃料),作为高水平放射性废弃物管理储藏后,以深地层处理的直接处理方式,或将其在再处理工厂进行再处理,回收铀、钚后,将其进行燃料加工在此用在核能发电站;另一方面将该工序的废弃物作为高水平的放射性废弃物,采取地层处理或再利用的方式处理。

由于铀资源由美国、加拿大、澳大利亚、非洲诸国、俄罗斯以及其周边诸国出产,没有铀资源的国家基本上需要从这些国家进口。而且,关于下游部门对使用完毕燃料的处理方法,在法国、英国等国设有商用再处理工厂,但大部分的国家并未制定处理方针,多数情况是“反正先储存起来”。而在芬兰、瑞典和美国等国,则致力于将使用完毕的燃料直接进行地层处理。

在日本,最初是一方面将使用完毕的燃料的再处理工作委托给欧洲的再处理专门公司,另一方面建设东海再处理试验设施,并在六所村建设了无核国家中唯一的商用再处理工厂。目前在该工厂正在接受建设最终阶段的使用前检查,将时间花在让高水平废液的玻璃固化装置的熟习运作。目前的课题是:1) 切实推进相关工作,继而转为正式操业;2) 以该工厂的产品——钚铀混合物作为原料,制造轻水反应堆的燃料,推进MOX燃料工厂的建设;3) 日本产生的使用完毕燃料的量,超过了该工厂的再处理能力,在即将建设的再处理工厂投入运作并接收此多余部分之前的期间,需要建设暂时存储的设施(中间储存设施)。

另一方面,在再处理工序中产生的高水平放射性废弃物进行玻璃固化,其固化体的发热量在达到地层处理的标准之前须在地面保管,其后才在地下300米的深处进行底层处理。日本于2001年公开该处理方式能安全实施的研发内容,正在筹备这种处理方式的实施主体——原子力发电环境整备机构(NUMO)。目前,以NUMO为中心,向日本全国的自治团体传达,这种处理方式的安全性以及这种处理设施的选址将惠及全体国民,从利益平衡的观点出发,该选址地区的持续发展需要得到全体国民的协助,并公开招募愿意接受本设施选址的自治团体。

该项工作说不上进展顺利,但废弃物的处理是当代必须确立实施路线的一个课题,国家、NUMO以及电气企业,均应特别加强与各自治团体、国民各阶层之间的相互理解,内容包括确保处理安全性的体制、处理场所选址的公益性、国民对接受选址的自治团体的持续发展的协助等。

3.5 研发工作

从中期的观点来看,重要的是20-30年后全球市场上必须性能卓越的下一代轻水反应堆面世,以取代目前正在建设、投入运作的轻水反应堆;从长期的观点来看,重要的是为了能在2050年导入快中子增殖反应堆,应切实推进燃料循环技术系统的研发。快中子增殖反应堆的燃料运用效率比轻水反应堆高很多,而且能改善高水平放射性废弃物的性质和状态。

通过核反应堆的热能制造高温玻璃,运用其使水热分解获得氢,而且运用核反应堆,能够比电分解更高效地生产氢。这种方法已被发现,并在实验室内成功地连续生成氢,目前正在为将此技术应用在工业制程而开展研发。

此外,相关方正在开展利用核聚变反应产生能源的核聚变反应堆研发。目前尚在研究当中,使用原理也正在实证过程中,相应直至可实用化为止还需很长的时间,针对磁场闭合方式的大型设备建设运作,相关方正在推进与国际社会共同开发的项目,目前与此相关的ITER项目正在推进中。此外,各国正独自开展利用激光方式进行核聚变的计划。

4. 核能基础设施的完善、维护

为确保上述工作能顺利开展,与该领域相关的、健全的科学技术基础和人才培养功能都是不可欠缺的。为此,要在这些工作相关领域产生科学技术的见解,所不可欠缺的是相关必要的研发设施群,以及运用这些基础知识创造活动的组织机构,这些均是必须完善、维护的。目前,相关方正在讨论将来这些组织机构该以何种程度的规模维持下去。

为让新兴国家能够着手开展核能发电,如何有计划地完善核能基础设施是不可欠缺的。IAEA将针对从现在开始着手核能发电的国家,把该如何完善核能基础设施的基本步骤出版成一本有里程碑意义的文书,推荐有意开展核能发电的国家按此去筹备建设。

另一方面,2008年在日本召开的洞爷湖G8峰会上,立足于核能发电是解决地球暖化的其中一种重要手段,要求利用核能的这些国家首先构建能确保核能安全、核安全性及核不扩散的体制,在培养出所需人才之前,国际间推进核能基本设施的完善活动,IAEA必须实践这些重要的使命[2]。日本立足于此,减少核能对化石燃料的依赖,对于那些作为减少温室气体排放量的手段而采用核能的新兴国家,要求今后与IAEA、亚洲核合作论坛(FNCA)积极协作,完善接收留学生的环境,促使世银等设置投资额度,确保核能发电及基于此的安全财源,并积极参加燃料供给保证系统的构筑的讨论等。还有,关于协助培养行政规定制度的实务者、设备建设运作负责者的人才的协议等部分,开展个别工作,营造出两国负责人之间的良好沟通,共同作业,为此促进完善双边合作交流。

5. 后记

从核能产生的历史来看,这是一项与社会有深切关系的技术,如果没有国民的信赖则任何工作都无法成功。因此,应确保工作的公开性、透明性,广泛听取意见的基础上与国民不断进行相互理解交流,每项工作的决定及决策实施的相关评估过程,均应让国民参与其中。

全球对核能利用的推进,是关系到100年以上的课题。日本在进入前所未有的人口减少的领域之际,作为全球屈指可数的核能大国,不但应将其用于公益事业,与国际社会共同持续拥有此技术,为国际社会的持续性发展做出巨大贡献。

全球现正陷入经济衰退的情况,人类在面对能源、环境制约时,会失去方向感觉而产生不同的意见,不管这是否是问题的核心,作为追求经济社会运营上的思维转变,为了克服此点,必须追求革新。这个使命就毫无疑问地落在核能利用的部门上了。今后政府与民间分别担任何种角色,均需通过真切的讨论。

近藤 骏介

核能委员会委员长

 简历:

1942年出生。毕业于东京大学研究生院工学系研究科博士课程(核能工学专业)。工学博士。历经东京大学工学部副教授、教授、东京大学研究生院工学系研究科教授,从2004年起就任核能委员会委员长。专攻核反应堆系统工学、核能安全工学、人体工学、脑工学、与核能研发利用政策、国际协助政策评价等相关的政策科学。

主要著作:《人为什么会失败》、《在核能发电站工作的人们》、《为何我会选择核能》、《现实性(Energeia)》、《简单的核能教室Q&A》、《核能的安全性》、《简单的核能Q&A》、《巨大技术的安全性》。

所属学会:美国核能学会、日本核能学会。




[1] ENERGY, ELECTRICITY AND NUCLEAR POWER ESTIMATES FOR THE PERIOD UP TO 2030, 2008 Edition, IAEA-RDS-1/28, IAEA, VIENNA, 2008.

[2]洞爷湖G8峰会首脑宣言是,“我们在气候变化与能源安全保障上存在忧虑,作为解决手段之一,目前关心核能计划的国家呈增长的趋势。为使这些国家减少对化石燃料的依赖,利用核能是减少温室气体排放量的必不可少的手段。我们再次表明,保障措施(核不扩散)、核能安全、核安全性(3S)是核能源和平利用的根本原则。在此背景下,由日本提出的方案,立足于3S之上,开始了完善关于核能源基础的国际倡议。我们在此体制下,确认国际原子能机构(IAEA)的使命。”

 

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