愛華網(wǎng)2009年10月30日，由中國南方電網(wǎng)、中國國電集團(tuán)和《能源》雜志社共同主辦的“2009(首屆)中國能源企業(yè)高層論壇”在北京召開。新浪財經(jīng)全程報道本次會議。圖為廈門大學(xué)能源研究院院長李寧主題演講。 李寧：大家下午好！ 今天的報告這樣子一個結(jié)構(gòu)，首先給大家提出一個能源結(jié)構(gòu)的物理分類，科學(xué)的分析核能相對于其他的能源地位，然后針對核能發(fā)展中受到的主要制約，向大家介紹一個革命性的系統(tǒng)解決方案，也就是行波式的核電反應(yīng)堆。這是由微軟創(chuàng)始人董事長比爾-蓋茨先生投資，及全美先進(jìn)核能研發(fā)基金共同開發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)。我非常榮幸的參與了這項(xiàng)技術(shù)，泰拉是蓋茨先生在中國的核工業(yè)顧問，其投資創(chuàng)建的泰拉能源公司的亞洲發(fā)展主任，以及材料與戰(zhàn)略發(fā)展咨詢顧問。 首先我向大家介紹一下能源體系的物理框架。面對紛紜復(fù)雜的各種能源以及各種能源的擁護(hù)和反對者的聲音，以及自身擁有的個性和差異性，我們怎么開展全面客觀的觀察和分析，而非局限于主觀定位，這是一個非常難以解決的問題，是能源工作者和政策規(guī)劃工作者長期面臨的困難。 在我研究行業(yè)和觀察中還經(jīng)常碰到這樣子的問題，一種能源在某個階段、某個地區(qū)或者某種規(guī)模中，表現(xiàn)出很多優(yōu)勢，一旦推廣使用，發(fā)展瓶頸和弊端開始出現(xiàn)。很多是所謂的關(guān)聯(lián)效應(yīng)逐步披露，并且往往是負(fù)面的。比如大水電對生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的影響，車油的風(fēng)波，深層地?zé)嵩斐傻卣鸬挠绊?，以及核電發(fā)展到一定規(guī)模的成本處理問題以及核擴(kuò)散問題。 基于我的物理教育基礎(chǔ)和對各種能源的認(rèn)知，我意識到需要一個簡潔明了的科學(xué)框架，并以科學(xué)定性來定量分析。我編寫整體一個架構(gòu)，這個架構(gòu)不單能顯示各類能源的出處和關(guān)系，還顯示重要的物理特性分類。 地球上所有的能源基于兩類的物理機(jī)制，核能與引力能，核能又分為聚變能和裂變能，來自太陽的聚變能在地球上以豐富多彩的形式出現(xiàn)，萬物生長靠太陽，生物通過光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)能，經(jīng)過千百萬年的地下變化，其熱化學(xué)、生物化學(xué)、物理化學(xué)等過程，生物質(zhì)轉(zhuǎn)變成化石燃料，包括煤炭、石油、天然氣。太陽能如以光伏形式采集利用，就是現(xiàn)在發(fā)展的光點(diǎn)，如以集熱的方式所利用，則為現(xiàn)在利用的光熱發(fā)電。這些是人工直接收集轉(zhuǎn)化運(yùn)用的模式。 以上這些可以說是聚變能利用的二級應(yīng)用，或者太陽能在地球上的一級應(yīng)用。太陽能熱的自然轉(zhuǎn)化和最終利用，則帶來其他種類的能源，加熱與引力相互作用導(dǎo)致水的蒸發(fā)、轉(zhuǎn)移、凝結(jié)和降落，形成水粒。造成空氣的升降、流動，形成風(fēng)能，排水的升降和流動形成潮汐能、波能和洋流能。這些可以說是太陽能在地球上的二級應(yīng)用，在這個架構(gòu)中，每向下一層，能源就被稀釋很多，能量密度就會大幅下降。特別是那些依靠引力作用形成的能源形式，如風(fēng)、水利、風(fēng)能和潮汐能等，由于引力非常薄弱，因此它們也很分散。 以上這些基于來自太陽能核聚變在地球上的體現(xiàn)，由于其循環(huán)周期短，很快被太陽能所恢復(fù)，被大家稱為可再生能源。 唯一與它們不同的是化石能源，時間與地球的作用，濃縮了這些太陽層，使之成為非常豐富的能源籌備。事實(shí)上它們也是可再生的，只是周期對人類來說太遠(yuǎn)。打個比方來說，化石能源是能源很好的本金，而可再生能源只是利息，人類使用化石能源的根本目的，就是對本金的過度提速，造成能源銀行的枯竭及循環(huán)周期的破壞。 真正基于地球本身的能源是核裂變能，核裂變能通過地?zé)?，使自然的體現(xiàn)；通過人工應(yīng)用體現(xiàn)，就是我們通常所說的，大家通常說的核能，就是通過核反應(yīng)堆體現(xiàn)出來的，在絕大多數(shù)的情況下，通過反應(yīng)堆產(chǎn)生蒸汽發(fā)電。核能的特征，使它直接來源于這些強(qiáng)烈的核力，能量密度是化學(xué)能的百萬倍，如果以此打造核的應(yīng)用體系，顯而易見應(yīng)該是獨(dú)特的，不同于其他能源。 下面我們來分一下能源的特性。為了在定性的基礎(chǔ)上，可以定量比較，我選擇了地表能源密度、載體能源密度、總太陽總量和總功率的參數(shù)，分別對地表影響的輸送難以程度、可用期限。能量密度高，表示使用土地面積小，反之大；能量密度高，表示易于傳輸，不受地域限制，反之則屬于就近利用?？們α炕蚩偣β矢?，表示體系和可使用期限長；量大，值得大力開發(fā)利用，反之則不值得投入利用。 當(dāng)然我們應(yīng)該意識到所謂難以、長短、大小等都是相對而言。在不同地區(qū)不同階段，根據(jù)不同條件跟假設(shè)，可以得出不同的結(jié)論。我們現(xiàn)在就全球特征來比較各類能源的以上參數(shù)，全球特征考慮可以幫助地面區(qū)域性的狹隘思維和判斷，特別是防止簡單的區(qū)域影響。比如說像在中國太陽能的生產(chǎn)，就是把能耗和污染留在中國，把綠色輸向歐美等國家這樣一種情況。 首先我們來考慮地表的能流密度。在能源種類選擇上，我選擇了煤、油、鈾、太陽能、水利、生物質(zhì)能、地?zé)?、風(fēng)能、潮汐能等。這個表格數(shù)軸上面每一格兩個數(shù)量級一百倍的差別。我們明顯看到，煤礦和鈾礦的能源密度極高，太陽能次之，然后是大水電，生物質(zhì)能、風(fēng)能、潮汐能。舉例來說，平均風(fēng)能、地表能密度是太陽能的數(shù)百萬分之一，煤礦、鈾礦的百萬分之一，潮汐能的十幾倍。當(dāng)然在風(fēng)上，經(jīng)過地表的集中濃縮，可以講其能流密度提高數(shù)倍、十幾倍，但煤和鈾的差別仍然是巨大的。 從這個圖表大家不難發(fā)現(xiàn)，在沒有看到本金透支的后果之前，人類對煤的開發(fā)應(yīng)用是非常理智的，因?yàn)樗加械牡乇砻娣e是最小的。煤替代生物質(zhì)能的應(yīng)用，開啟了工業(yè)化的進(jìn)程，而風(fēng)能等趨勢分散能力重新崛起，是基于技術(shù)的發(fā)展。技術(shù)能否克服這些固有特性的巨大差異，就是我們搞科研發(fā)展的重大關(guān)注。但有一點(diǎn)是可以肯定的，低密度能源大規(guī)模使用，一定會占用給更多的土地資源。在很多情況下，大規(guī)模開發(fā)利用產(chǎn)生不可預(yù)期的效應(yīng)，如果考慮到生態(tài)系統(tǒng)是自然界長期發(fā)展出來的微妙系統(tǒng)，則急需其驅(qū)動能源為人所用，即使是小量的，亦可能產(chǎn)生氣候生態(tài)的影響。 再來看載體能量密度的分析。在這個圖表中，鈾作為核能載體，其能源米糧遠(yuǎn)高于化學(xué)能的載體，化學(xué)能遠(yuǎn)高于水能、風(fēng)能。如此之高的能量密度，應(yīng)該是核能應(yīng)用體系的基礎(chǔ)設(shè)施可以不同于化學(xué)能源，然而現(xiàn)狀是核能被套入既有的化學(xué)能源體系和設(shè)施。如何看待解決這個問題已經(jīng)超出今天討論的范圍。而低密度的太陽能、水能、風(fēng)能等，如需大規(guī)模采集，則必須通過轉(zhuǎn)換成可輸送的電力使用。 從探明的總儲量來看，煤、油、氣都是百年量級，而鈾是千年級的。由此可見，解決核能大規(guī)模的應(yīng)用的問題是非常值得研究的，從發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)來看，大力開發(fā)核電雖然造成一些問題，但總體效益非常之多，其優(yōu)勢在今天顯得更為明顯。解決其建造成本高、資源利用率低、廢物處置以及核擴(kuò)散問題也顯得更迫切。 順帶提一點(diǎn)，從可再生能的等級和總功率圖表來看，直接對太陽能使用應(yīng)該用于間接的采集和應(yīng)用，相對可能產(chǎn)生的環(huán)境與資源影響應(yīng)該比較低。 當(dāng)前能源界面臨的挑戰(zhàn)，除了持續(xù)充足供應(yīng)快餐發(fā)展，增長需求難以改進(jìn)，能源需求對氣候的影響日益嚴(yán)峻，低碳經(jīng)濟(jì)成為新能源發(fā)展的方向。隨著金融危機(jī)造成的經(jīng)濟(jì)發(fā)展的倒退，新能源發(fā)展成為全世界公認(rèn)的新經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。 以史為鑒，我們看一下這個圖表，我們發(fā)現(xiàn)世界能源低碳化的促進(jìn)上，持續(xù)的行走了百多年，是個燃料比例不斷優(yōu)化的過程。圖顯示的是煤GC/MJ使用的炭能，這邊表示的是煤、油、氣等等的比例。大家可以看到，人類主導(dǎo)的初級能源，基本上是炭能到碳?xì)?，基本相?dāng)于液體油，再到以氫為主，碳?xì)涞臍猓鄬?yīng)的是交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域和電力。以此延伸到未來，低碳甚至無碳的能源將逐漸成為人類的主要能源，并相應(yīng)的清晰產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。 大家知道國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，基本上與能源使用成正比?？v觀世界各國的發(fā)展歷史，我們從炭排量和人均能耗中可以清晰的看到各個國家發(fā)展的路徑，以煤、石油和氣的路線圖一樣。其中比較突出的是法國，法國的電力78%來自核電，法國能夠大幅度增加人均能耗和生活水準(zhǔn)，但保持炭排放無增長，可以說是低碳的范例。另外值得一提的是巴西，巴西由于對生物質(zhì)能大力開發(fā)應(yīng)用，也走在低碳經(jīng)濟(jì)的前列，但其效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及法國。
根據(jù)對不同能源的生產(chǎn)使用和終結(jié)處理的全周期風(fēng)險，我們可以從圖表中看到，核能的溫室氣體排放量在所有能源中是最低的，甚至低于風(fēng)電、水電、生物質(zhì)能和光伏太陽能，核電是目前世界上最大的無排放電力能源。 前面提到核能在大規(guī)模發(fā)展過程中，也遇到了很多問題和挑戰(zhàn)，從2000年到2002年，我全程參與了美國能源部核電發(fā)展路線規(guī)劃與美國和其他幾國近百位專家多次進(jìn)行專題研討和協(xié)商，最終形成規(guī)劃和各國開發(fā)項(xiàng)目。中國已經(jīng)簽約參與了此次項(xiàng)目，積極開展國際合作，開發(fā)新進(jìn)核能技術(shù)的使用。非常突出并堅(jiān)持中國試驗(yàn)反應(yīng)堆示范性的建設(shè)，我國目前在建的反應(yīng)堆大多屬于II或III+，正在引進(jìn)建設(shè)的美國法國正在引進(jìn)建設(shè)的美國石油AP1000屬于III或III+。 由于核能需要濃縮或天然鈾燃料和通過蒸汽升級物燃料，因此核能的規(guī)模發(fā)展會受到資源濃縮產(chǎn)能和燃料循環(huán)發(fā)展的制約。反過來說，核能的擴(kuò)容會對技術(shù)創(chuàng)新增加訴求?，F(xiàn)行的一次性開放式和燃料循環(huán)性，可以在核能擴(kuò)大不大的短期和中期滿足需求，一旦核能大規(guī)模擴(kuò)容就不現(xiàn)實(shí)，從資源利用、廢物處理等角度，都需要閉路式的循環(huán)系統(tǒng)及相應(yīng)的反應(yīng)堆，使用混合燃料的先進(jìn)系統(tǒng)堆，中小形反應(yīng)堆、高溫氣體堆等等。 這些圖表是來自正在開發(fā)中，國際原子能組織的世界核能容量發(fā)展情景分析圖。 接下來介紹一下我們正在開發(fā)的行波式核反應(yīng)堆的概念。行波堆不同于現(xiàn)有商業(yè)化的堆，通過對抑制堆芯燃料的分布和運(yùn)行，核燃料可以從一端負(fù)級啟動點(diǎn)燃，裂變產(chǎn)生的多余種子將周圍不能裂變的U-238轉(zhuǎn)化成Np-239，當(dāng)達(dá)到一定濃度之后，形成裂變反應(yīng)，同時開始焚燒在原位生成的燃料，形成行波。行波以增殖波先行焚燒波后續(xù)，一次性裝量可以連續(xù)運(yùn)行數(shù)十年甚至上百年。為維持運(yùn)行，堆芯燃料部分保持常規(guī)的大小質(zhì)量，按正常方式通過核能，將熱量帶出堆芯，產(chǎn)生蒸汽，其余部分為燒盡或待增殖的燃料。除最初的啟動源需要濃縮鈾，其他所有燃燒都可以來自天然的材料或清水的發(fā)電。因此不需要分離濃縮。形象的說，行波堆像蠟燭，用火柴點(diǎn)燃后逐漸燒盡，并可以點(diǎn)燃其他蠟燭。在實(shí)際工程化過程中，行波堆選擇可以使用定期移動燃料，增殖焚燒波的空間固定處理。 行波堆工業(yè)體系無需大規(guī)模進(jìn)行燃料，并可逐步減少鈾濃縮的產(chǎn)品，極大減少了復(fù)雜、昂貴的燃料體系。這個是燃料很多的步驟，從鈾的開采，轉(zhuǎn)化，濃縮，終端處理，多個步驟。 通過使用行波堆，可以極大的簡化減少其中許多步驟，可以逐步的降低負(fù)極的產(chǎn)能以及復(fù)雜昂貴的燃料體系。所以行波堆的路線不僅可以提前進(jìn)入核能大規(guī)?？沙掷m(xù)發(fā)展，同時還極大降低了核擴(kuò)散的風(fēng)險。像鈾的濃縮和燃料的后續(xù)，是核擴(kuò)散風(fēng)險最大的環(huán)節(jié)。 因此，和其他核的體系相比，行波堆更有可能獲得大多數(shù)國家包括美國的支持，在世界范圍廣泛開展真正體現(xiàn)核能作為煤、油、氣等化石燃料，具有清潔、無碳排放的燃料。 行波堆可以持續(xù)數(shù)十年不換料，將現(xiàn)有的沉重廢物負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)化成巨大的經(jīng)濟(jì)價值。據(jù)估算，美國現(xiàn)存的70萬噸可產(chǎn)生100萬億的電供本國使用。中國的鈾、天然鈾和清水在核能發(fā)展構(gòu)建上，有可能避免鈾數(shù)十年歷史復(fù)雜昂貴和核擴(kuò)散的漫長路徑，主動進(jìn)入更為先進(jìn)的時代，最大保護(hù)國家、人類、環(huán)境利益跨越式創(chuàng)新。 開發(fā)泰拉能源分析國際合作對象的會議中，蓋茨、約翰等公司高管詳細(xì)分析了中國的核發(fā)展?fàn)顩r和規(guī)劃，重要研究核能的研發(fā)單位和核電成本，非常推崇中國率先發(fā)展核能取得的豐富成果。因此蓋茨先生決定首先到中國來推廣這個行波反應(yīng)堆先進(jìn)技術(shù)。蓋茨先生下月初，將與公司的高管和領(lǐng)導(dǎo)受國家核電技術(shù)公司項(xiàng)目的邀請，來中國拜訪國家能源局和各大能源集團(tuán)探討合作。 總結(jié)起來，行波堆的技術(shù)可以概括為核燃料一次性增殖焚燒，是一個理想狀態(tài)的先進(jìn)的東西，是有可持續(xù)、防核擴(kuò)散、安全性和高經(jīng)濟(jì)性，行波堆可將鈾資源利用提高近百倍，廢物量減少數(shù)十倍，把一個百年的資源提升為數(shù)千年的技術(shù)。 這是一個世界核電和核能發(fā)展的分布圖，我們希望未來核能大發(fā)展，傳遍中國，遍布全球。謝謝大家！
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