发布日期 2021-11-09 | B站 | YouTube
正文
德国的弃核之路
大家好，2021年11月9日星期二，欢迎收看351期睡前消息，请静静介绍新闻。最近几个月，全球都陷入能源危机，石油天然气和煤炭供应不足，很多国家都重新开始考虑发展核电站。但德国还是坚持明年全面放弃核电。德国政府是怎么考虑能源问题的？德国坚持放弃核电，是几十年环保政策的惯性。冷战初期，美苏进行了大量核试验，也在欧洲部署了大量核武器，引发了最初的反核武器运动。德国是美苏冷战前线，如果冷战变成热战，双方都打算第一时间在德国使用核武器，所以民间情绪对核裂变的反感最强。70年代初，西德准备在维尔市建核电站，结果因为街头抗议，被迫在1975年取消了这个项目，这是全球民间运动第一次成功阻止核电站项目。1979年，美国发生三里岛核电站事故，进一步刺激了全球反核电的情绪，1980年德国成立了绿党。
1986年切尔诺贝利核事故发生后，德国恐核情绪进一步放大，政治领导人纷纷表态，说现有的核电站是个过渡方案。1975年开始建设的米尔海姆-卡利希核电站，正好1986年建成。但是施工方为了避开地质断裂层，把核电站位置偏移了几十米，违反了最初的规定，许可证出了问题，被绿党激烈反对。1998年，德国社民党与绿党联合组阁，这座核电站被最高法院裁定永久关闭，累计发电只有30个月。然后绿党提出了2030年之前关闭全部核电站的计划。到了2009年，德国有17座核电站在运行，差不多占四分之一的发电量，而后续的接班能源还没确定。这个时候是强势的默克尔连任总理，决定给一批核电站做延期。
没想到，2011年日本又发生了福岛核事故，重新激发了德国人对核电站的恐惧，默克尔只能选择比绿党还要激进的弃核政策，立即关闭8座核电站，剩下9座到2022年全关掉。最近一次议会选举，德国绿党拿了14.8%的选票，是所有大国内部最强的环保力量，德国不太可能再放松核电的限制，只能继续执行明年放弃核电站的计划。现在德国还有6座核电站上网发电，供应九分之一的能源，新一任政府压力不小。而且弃核还只是德国环保能源计划的第一步，接下来，德国要在2038年关闭全部煤电站，2050年放弃天然气，彻底转向新能源。
能源转型的代价
既不要核电站，也不要传统的火电站，德国打算靠什么发电呢？
现在德国27.4%的电来自于风力，9.7%靠光伏，再算上水电与生物原料发电，已经有一半电力来自可再生能源。但是新能源发电的波动很大，德国被迫搭建了一套复杂的电力管理市场，有2700多个平衡单元，靠精密管理勉强维持稳定。但无论怎么管理，绝对的电力缺口也没法弥补，2050年之前，还是要指望烧俄罗斯的天然气发电，所以德国对波罗的海下面的北溪2号天然气管道非常积极，宁可和美国翻脸也要把管道修起来。此外，德国还要进口一部分电，尤其是凌晨两点到早晨七点没有太阳的时候，要靠法国的电来保证社会运转。但法国是个核电大国，凌晨时段法国有85%的电力来自核电站。德国眼下不要国内的核电，也拒绝不了外国的核电站。
目前德国还是世界第四大工业国，人口只占全世界的1.1%，制造业产值占全世界的6%，这样的国家敢于全面转向新能源发电，无论原因是什么，成绩还是值得肯定的。当然这也和自然条件有关系，德国位于欧洲中心，发电低谷可以买周围国家的电，发电高峰段也能把过剩的电卖出去；像英国这种欧洲边缘的岛国，再喜欢环保概念，也得坚定地支持核电。这一次能源危机，大多数国家还是主动减少了对核电的限制。
中国的铀矿供应链
这么多国家重新重视核电，从7月到9月，铀矿涨价超过60%。中学地理教科书就提到我国铀矿储量不足，需要大量进口。中国的核电站还能按计划发展吗？
十几年前，中国铀矿供应的前景的确很紧张。现在中国已经建立了可靠的全球铀矿供应链，国内资源开发也很给力，在可预期的将来，国产铀矿就能满足大部分国内的核电站。现在主流的核电站是压水堆，粗略换算一下，每1万千瓦的发电能力每年要消耗1吨铀矿。十几年前，中国预计2030年达到1.3亿千瓦的核电装机量，每年消耗1.3万吨铀矿，而当时中国每年只能生产八百多吨。确实面临铀矿危机。过去十几年，产量只提升到1650吨，对外依存度从一半左右提高到90%左右，相对的问题似乎更严重了。但是从国际贸易的角度看，中国的铀矿来源更丰富，也更多元化了。目前世界前三大铀矿生产国是加拿大、哈萨克斯坦、澳大利亚，第四是纳米比亚。
中广核铀业公司在2012年收购了纳米比亚湖山铀矿，2019年又从力拓手里收购了纳米比亚罗辛铀矿，这两座铀矿分别是世界第三、第五大铀矿基地，一年起码有五千吨产能。哈萨克斯坦方面，中广核通过入股，拿到了四座大型铀矿。虽然中国现在还要进口不少铀，但基本都是在自己能控制的矿山去进口。核电站的长期安全问题，还是要指望国内资源储备。这些年，政府一直在组织国内铀矿勘察，已经在新疆伊犁、内蒙古鄂尔多斯、通辽和江西抚州搞了四个千吨级产能的铀矿基地。这四个基地本身虽然不足以满足核电站的全部需求，但是给国内的勘探队伍积累了经验，在探矿理论方面有明显突破。从现在最新的勘探结果看，内蒙古鄂尔多斯、二连浩特和巴彦淖尔都有特大铀矿，远景来看可以建万吨，乃至十万吨级的世界级铀矿基地。中国核电站在本土也是不缺燃料的。
钍基熔盐堆亮相
说起核电，还有一个消息。9月9日，《自然》网站发布了一篇报道，说中国8月份在甘肃武威建成了钍基熔盐反应堆，9月开始试运行。和现有的核电站相比，这个新型核反应堆有哪些进步？一般报道提到甘肃这个钍反应堆的时候，往往都会指出钍的储量大，是铀的三四倍，所以重点介绍燃料供应可靠的特点。但是，一方面我们铀矿的供应已经不是大问题了，另一方面，几乎所有第四代反应堆的技术路线都能节约铀矿。比如铀基快中子反应堆，可以把铀利用率从不到1%，提高到60%，所以，节约燃料并不是钍反应堆的核心竞争力。武威钍反应堆的放射性核废料也比现在的反应堆少，尤其是超铀锕系元素少，不到现在压水堆的1%。废料不用储存上万年，几百年就基本无害化，所以废料库的等级，可以从抵御地质侵袭，降低到一般永久性地下工程的水平。
但这个好处也不是钍反应堆的独特优点。其他形式的快中子堆也能做到，也不一定要用钍来发电。新型钍基熔盐堆的真正优势，是安全性更好，运行成本更低。从核燃料来说，自然界中的钍，基本都是钍232，半衰期140.5亿年，非常稳定。使用之前，要用铀235或者钚239发射中子，把钍变成容易裂变的铀233，然后送进发电站。钍232的热中子俘获截面是铀238的3倍，生成的铀233还可以放出更多的中子，制造更多的燃料，所以钍基堆燃料数量可以不断扩大，甚至直接用之前的核废料生产燃料。除了核燃料用不完之外，新型的钍反应堆在结构上也有优势。现在的核反应堆基本上都可以理解成一个烧水锅炉，用核裂变的热量烧水，再用水把动力传给发电机。水蒸汽烧得越热，效率就越高。但是，核燃料要用锆合金包起来，一旦温度超过1300K，锆就会与水起反应，生成大量氢气，制造爆炸。
所以，传统的核反应堆必须为了安全，把热效率压到33%左右。目前在新型的核反应堆，只有三代半的超临界水堆还在用水做冷却剂，靠高压来提高水温，把热效率抬高到45%。其它的技术路线，使用氦气、二氧化碳、钠、铅，或者液态食盐作为冷却剂，提高运行温度。把热效率进一步提高到50%。武威这个反应堆，就使用液态盐来传递能量，效率明显高于现有核电站。一般来说，核电站大多数成本不是用来发电的，而是用来保证安全的。在技术路线上降低安全成本，比提高效率、节约燃料还重要。如果用氦气、二氧化碳这些气体传递核反应堆的热量，一旦泄漏到大气中，就会造成严重的污染。换成液体的话，液体钠不那么容易泄漏，但是钠的化学性质敏感，一旦和大气接触，就会起火爆炸，1995年日本的文殊反应堆就出现过钠泄漏，导致了火灾事故。所以，最好的传热介质是铅和盐。
其中液体铅的密度太大，冷却系统太重，结构成本高，不容易维护。在目前的技术水平下，液态熔盐就是最好的选择，而且不用大量消耗水，可以在干旱地带建设。这就是我们武威这个钍基熔盐核反应堆。在安全、成本和废料处理方面都有优势。
被冷战搁置的技术
钍基熔盐堆的好处这么多，为什么到现在才开始做实验装置？
这条技术路线提出很早，但因为政治原因，被搁置了几十年。1946年二战刚结束，美国就开始研究熔盐核反应堆。因为熔盐反应堆尺寸不大，美国陆军航空兵希望能够把它搬到飞机上，搞无限续航的核动力飞机。橡树岭国家实验室一度把25%经费花在这条技术路线上。1964年，橡树岭建成了人类第一座钍基核燃料熔盐实验堆，MSRE，运行到1969年，积累了不少技术成果。当时的橡树岭实验室主任是阿尔文·温伯格，他在1955年接手核动力飞机项目，发现这项目不靠谱，就把研究重心转向民用钍基熔盐堆。通过研究MSRE，橡树岭实验室在70年代初完成了新一代钍基熔盐增殖堆的概念设计。但美国总统尼克松不感兴趣，因为当时是冷战年代，铀-钚循环反应堆，能和核武器配套，增加核战争的潜力。1973年，尼克松解雇了温伯格，钍基熔盐堆技术开发就停滞了。
中国很早就开始考虑核技术的民用化。上世纪70年代初，中国也曾考虑做钍基熔盐堆，发展民用核电站，项目代号“728工程”。1971年在上海建成了零功率冷态熔盐堆做模拟。但是，由于综合技术水平不足，后续研究还是先开发比较简单的轻水反应堆。现在回顾钍基熔盐堆的技术路线，应该说在50年代搞开发略微超前于时代，当时各大国的资源一切为了冷战胜利服务。而钍基熔盐堆从采矿到核废料处理，和军事工业配套都很差，争取不到开发经费也很正常。现在中国一方面有足够的民用工业需求，另一方面军事上也基本站住脚了，不用所有项目为军事服务，所以能跳出冷战的限制，开发钍基熔盐堆。
中国抓住的机遇
那这么说，钍基核电站技术储备最强大的国家也是美国。为什么美国现在自己不做呢？
因为中美面对的问题不同、机遇不同。美国在电力上缺乏投资动力，而中国抓住了战略机遇。从最近美国的供应链危机来看，就算港口堵死了，美国也要等着中国和其他东亚国家运工业品，而不是发动本国的工业搞生产。这样的国家，实体工业没有增量，发电量维持现在的水平就可以了。最近几年，民主党政府上台，美国就努力开发可再生能源；共和党政府上台，就支持各州开发页岩气，用廉价天然气填上了电力缺口。和这些成熟的发电方式相比，新开发一种核电站，就算技术路线再合理，也体现不出价格优势，所以美国的资本不愿意投资。其它发达国家，比如说德国和日本，虽然制造业还消耗很多电力，但增量也不大，反而是第一代第二代核反应堆设备陈旧，废料处理麻烦，在人口密集地区制造了反核电站的舆论。
所以，趁着中国压低了光伏发电和风力发电的成本，这些发达国家最主要的任务是用可再生能源替换核电站，而不是搞新的核电站。世界上最大的发电增量，和用电增量都在中国。中国发电量超过美国是在2011年，十年后的今天，今年上半年中国发电量是美国的两倍，任何发电增量在中国都有用。现在全球控制碳排放，中国要压缩煤电，也不想烧天然气发电，最可靠的基础电站还是核电站。所以，福岛核危机之后，最先全面恢复核电站建设的国家就是中国。发达国家冷战后才成熟的第三代核反应堆，中国用了一代人就基本掌握了，开始到处推广华龙一号的技术。在可预期的未来，风力、光伏的发电规模虽然还会继续扩大，但人类始终没有找到大规模储存电力的方法。所以，新能源发电规模越大，电网的稳定性就越差。德国的现状证明，全面转向可再生能源，就必须从国外买电来稳定电网。
中国本土的电力需求太大，不可能靠国外电力，所以必须全力开发核电，给全世界确定新一代核电技术标准，准备以后向全世界出口核电设备和零部件，这就是甘肃钍基熔盐反应堆的历史定位。早在2011年，中科院就确定钍基熔盐堆是战略性先导科技专项，发动十几家单位联合攻关，包括上海应用物理所、上海有机所、上海高研院、长春应化所、金属所，一起拟定技术标准。当时，中科院副院长亲自带队，访问美国橡树岭实验室、麻省理工，与美国能源部签署了一份较小范围的谅解备忘录，从美国拿到不少冷战技术作为参考资料，还与美方共同制定了熔盐堆材料加工标准，技术准入标准。2011年正是美国对华战略转向的前夜，如果当时拿不到这些资料，中国可能就要自己多摸索好几年。到了2016年，中国熔盐堆技术已经可以说国际领先。当时中国提出的目标，是准备到2030年，实现钍基熔盐堆商业化运行。
技术瓶颈与新合金
一般来说，新型反应堆在进入民用市场之前，要进行十年以上的技术积累，才能制订全套技术管理标准。从2030年倒推，实验堆今年投产，是刚好卡到了时间点上。中国这次搞钍基实验堆，并没有照抄美国冷战期间的基础方案，而是采用氟化锂、氟化铀、氟化钍三元熔盐作燃料，以氧化铍为慢化剂。高中化学介绍过，酸、碱、盐在熔融状态下也能电离，和金属发生反应。所以熔盐堆的主要技术瓶颈，就是做出不怕腐蚀的管道，而且还要在高温、高应力、高辐射环境下保证管道的稳定性。这些材料技术，过去只有美国人能做。最近几年，中科院金属研究所的董加胜、韩维新做出了GH 3535合金，耐熔盐腐蚀，耐650度高温，而且有希望把指标提高到800度，让纯净的食盐也能以液态通过。这个新材料，是今年钍基熔盐堆投产的前提。
中国现在每年的用电增量，差不多就是德国的全部用电量，所以在新型发电技术方面，不会只赌一种技术路线。除了钍基熔盐堆，其它四代核反应堆也在平行开发。同样是在上个月，石岛湾高温气冷堆示范工程1号堆首次临界，预计年内并网发电。而在北京房山，原子能院还有一座钠冷实验快堆，2011年就实现了并网发电。过去几十年，科幻小说总是设想人类通过核聚变来解决能源问题，毕竟天上挂着太阳，已经用聚变给我们提供了几十亿年的稳定能源。但是，从目前的开发来看，人类还完全不知道用什么材料做核聚变反应炉的燃烧室，对聚变等离子体的理解也很差，理论上都没有找到合适的技术路线。所以，除了风力和光伏发电之外，最可靠的下一代能源还轮不到聚变发电，人类还是要把重元素核裂变发电的技术路线再升半级。
文明的次级里程碑
从历史地位来说，甘肃武威的钍反应堆项目也许比不上瓦特的蒸汽机，爱迪生的发电厂，但也是次一级的人类文明里程碑，希望我们能在2030年准时看到钍反应堆的商业运行。另外，看到武威钍反应堆试运行的新闻，我立刻想到了2018年这个项目在媒体上第一次露面的样子。当时项目刚刚开工，施工方为了安抚农村来的工人，按照建筑工程的行业惯例，请了道士做法，杀猪杀鸡拜了鬼神，还烧了一大堆符咒。本来是充满科幻色彩的项目，奠基仪式充满了土味神秘主义色彩。三年后的今天，回看当年的奠基仪式，我觉得还挺吉利的。钍基反应堆，就应该有一个足够土的开场，希望中国核电工业能把西部黄土的味道带进22世纪。好，感谢大家收看，351期睡前消息到此结束，我们周五再见！
附录
信息来源
- 开播日期核对无误：2021年11月9日为星期二；德国绿党2021年9月大选得票15%、德国剩余6座核电站在运（约占发电量1/9）、2038年煤电退出、石岛湾高温气冷堆2021年9月首次临界、中国实验快堆2011年并网、MSRE运行到1969年、温伯格1973年被解职等均与公开资料一致，
事实订正
已核对
- 官方文稿站（archive.bedtime.news/zh/main/301-400/351）同一位置同样断裂：「……所以能跳出冷战的与核军工配套衔接都不算好，显得既不经济，也缺乏军事价值。但研发费用并不夸张……」——证实系官方转写缺口而非本稿引入，音频原话无法复原；干净稿已将该语义重组进美苏段落（「和军事工业配套都很差，争取不到开发经费也很正常」）并以「跳出冷战的限制」收束，上下文连贯，处置妥当。（来源 [archive.bedtime.news]）
- 官方文稿站同作「过去十几年，中国的铀矿需求量比当年的1.3万吨还要多久，但是产量只提升到1650吨」——证实该不通语句在官方转写层即存在（疑为「还要多」）；干净稿已删除此句并保留其余数据（1650吨、依存度90%），处置妥当，音频原词无法进一步确认。（来源 [archive.bedtime.news]）
- 公开资料显示武威 TMSR-LF1（2兆瓦液态燃料钍基熔盐实验堆）燃料盐为 LiF-BeF2(-ZrF4)-ThF4-UF4 体系，含氟化铍等载体盐（英文维基 TMSR-LF1 条目等列四至五元组分），口播「氟化锂、氟化铀、氟化钍三元」系简化表述；官方文稿站同文，维持原文，此处记录正解。（来源 维基百科）
- 已核德文维基两条目：(1) Wyhl——1973年7月选址公布，1975年2月工地被抗议者占领、3月14日弗莱堡行政法院暂停首张部分建设许可（Baustopp），1977年施工彻底停止，1983年州长 Späth 宣布放弃（1994年「正式」终结）；口播「1975年取消」指被抗议实际阻止之年，确系口径简化，但「第一个被民间运动成功阻止的核电项目」与通行叙事相符。(2) 米尔海姆-卡利希（KMK）——1986年3月投运/3月14日首次发电，因建设许可程序违法，在首次临界后30个月即1988年9月9日按联邦行政法院判决停运；1998年1月14日联邦行政法院终审维持关停。口播「累计发电只有30个月」实为「临界后30个月停运」（其间为试运行，实际发电远少），「1998年最高（行政）法院裁定永久关闭」与终审相符。均为口播简化，无硬性错误。（来源 Kernkraftwerk Mülheim）
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