能源、环境与核电安全

早在19世纪20年代,法国科学家J. Fouxier 就发现自然温室效应,并进一步论证这一效应对生物生存的重要性,认为自然温室效应是地球能量系统平衡的重要组成部分。至19世纪未,瑞典科学家阿伦纽斯(Svante Arrhenius),又提出了人为温室效应的可能性,认为矿物燃料燃烧过程中所排放的CO2(二氧化碳),将使大气中的CO2 浓度提高,会带来气候变暖问题,即每当大气中CO2浓度增加1倍时,气温会上升4~6℃。1985年,在一次由联合国环境规划署(UNEP)、世界气象组织(WMO)、国际科学联盟理事会(ICSU)共同召开的国际会议上,对温室气体浓度增加将引致全球平均温度上升的观点得到基本接受,并成为国际社会的热点之一。

据联合国政府间气候变化专业委员会(IPCC)的第二次评估报告称,温室气体,如CO2、 CH4(甲烷)和N2O(氧化亚氮),在大气中的浓度从18世纪的工业化时代以来,已经有了很大的增加。究其原因,在很大程度上是由人类活动,主要是矿物燃料的使用、土地使用的变化和农业造成的。温室气体浓度的增加导致了大气和地球表面的变暖。自19世纪末以来,全球平均地面温度上升了0.3~0.6℃;在过去的100年中,全球海平面也相应上升了10~25厘米。倘若不采取相应举措。让大气中的温室气体浓度仍按目前的速度增加,再过50~100年,全球平均气温将升高2~3℃,海平面将上升30~100厘米,从而使人类所赖以生存的生态和社会经济系统受到极大的危害。尤其对发展中国家而言,其形势显然更为严峻。人类只有一个地球,减少温室气体排放已成为当今国际社会所面临的一个刻不容缓的问题了。

碳税就是在这样的背景下被提出来的。碳税是指针对二氧化碳排放所征收的税。它以环境保护为目的,希望通过削减二氧化碳排放来减缓全球变暖。碳税通过对燃煤和石油下游的汽油、航空燃油、天然气等化石燃料产品,按其碳含量的比例征税来实现减少化石燃料消耗和二氧化碳排放。

1990年,第二次世界气候大会的部长宣言和科学技术会议声明,首倡制订气候公约。1990年12月,第45届联合国大会决定设立政府间气候变化谈判委员会。自1991年2月始,历经15个月共五轮谈判,于1992年5月9日形成了《联合国气候变化框架公约》。并于当年6月在巴西召开的朕合国环境与发展大会上开放签署了《联合国气候变化框架公约》,目前缔约方已达165个,我国政府早已于1992年的巴西会议上签署了该公约。1995年这一公约生效。并于当年召开了公约第一次缔约方会议,经过激烈地争论通过了著名的“柏林授权”,再次明确了公约国家(包括西方发达国家和转轨经济国家)率先减排的规定,并强调不为发展中国家引入任何新的承诺。至1997年12月,又在日本京都召开了第三次缔约方会议,通过了《联合国气候变化框架公约京都议定书》,规定在2008年至2012年,将温室气体排放水平在1990年的基础上平均减少5.2%。

作为发展中国家大国的中国,在签署了《联合国气候框架公约》不久,就公开发表了《中国环境与发展十大对策》。宣布中国将实行可持续发展战略。其中。围绕“控制二氧化碳,减轻大气污染”等问题提出了多项政策和措施。但是,“京都会议”以后,中国所面临的形势却是不容乐观的。在“京都会议”上,一些发达国家提出发展中国家“自愿承诺”的主张。而且美国国会还明确宣布“主要的发展中国家”在温室气体排放控制中应“有意义的参与”,否则国会将不予批准美国加入“京都议定书”。所谓“主要的发展中国家”实际上就是指中国、印度和巴西等国家,而所谓“有意义的参与”,实质上就是要求形成一项对中国等发展中国家有约束力的温室气体未来排放的限制。从根本上看,减少温室气体排放以避免因温室效应而带来的气候变化灾难,符合包括发展中国家在内的所有国家的利益;但从现实看。减少温室气体排放又将限制本国的经济和社会发展承受相应的利益损失,将影响国家的发展空间和发展前景。正鉴于此,才使得温室气体减排问题显得格外复杂,因而成为国际社会的热点问题之一。从而又使得温室气体排放问题成为兼具环境、经济、政治三重性质的国际问题。因此,在防止气候变化的过程中,我们所面临的是双重压力,一方面过度排放温室气体会对人类赖以生存的地球生态系统和人类社会发展带来危害,最终影响乃至阻碍经济的健康发展;另一方面一些发达国家忽视中国的现实,不切实际地向中国施压,使我们面临巨大的国际压力。在这种情况下,如何切合中国的实际制定相应的政策,运用必要的技术措施,努力减缓温室气体的排放增长率,这其中理所当然地也包括对经济手段的考虑。

就中国目前的现实面言,以煤为主的能源结构是形成以城市为中心的大气污染的重要原因,排入大气中85%的CO2来自燃煤。尤为不能忽视的是,世界经济发展的经验数据表明,当国家和地区的人均GDP处于500美元至3000美元的发展阶段时,往往对应着人口、资源、环境等瓶颈约束最为严重的时期。中国目前仍属于发展中国家,为发展经济、提高人民生活水平、能源消耗势必会加速增长,温室气体排放的增长速度也会有较快的增长,中国的温室气体排放应属于“生存性排放”。但与此同时,我们还必须清醒地看到温室效应毕竟有可能在根本上危害人类的生存环境。从某种意义上说,压力也是动力,在防止气候变化的国际合作与斗争中,中国应该能够寻找到一条符合中国实际的可持续发展之路。

在碳排放的巨大压力下,发展核电是必由之路。自20世纪50年代中期世界上第一座商业核电厂投产以来,核电发展已历经50多年。根据国际原子能机构2005年10月发表的数据,全世界正在运行的核电机组共有442台,其中:压水堆占60%,沸水堆占21%,重水堆占9%,石墨堆等其它堆型占10%。这些核电机组已累计运行超过1万堆年。全世界核电总装机容量为3.69亿千瓦,分布在31个国家和地区;核电年发电量占世界发电总量的17%。

核电发电量超过20%的国家和地区共16个,其中包括美、法、德、日等发达国家。各国核电装机容量的多少,很大程度上反映了各国经济、工业和科技的综合实力和水平。核电与水电、火电一起构成世界能源的三大支柱,在世界能源结构中有着重要的地位。

我国是世界上少数几个拥有比较完整核工业体系的国家之一。中国核工业始于1955 年,二十世纪五十年代后期至七十年代,核工业主要是为国防服务。在此期间建立了相应的科研、设计、建造、教育和核燃料循环工业体系,为核工业日后的发展奠定了基础。

自1978 年中国开始实行改革开放政策,核工业转向重点为经济建设和人民生活服务。二十世纪八十年代初,国务院决定建造秦山核电厂和广东大亚湾核电厂,中国开始发展核电工业。自1991年我国第一座核电厂—秦山一期并网发电以来,我国有6座核电厂共15台机组906.8万千瓦先后投入商业运行,8台机组790万千瓦在建(岭澳二期、秦山二期扩建、红沿河一期)。

截至目前,我国核电厂的安全、运行业绩良好,运行水平不断提高,运行特征主要参数好于世界均值;核电机组放射性废物产生量逐年下降,放射性气体和液体废物排放量远低于国家标准许可限值。大亚湾核电厂近年的运行水平与核能发达国家的水平相当,运行业绩进入了世界先进行列。

经过各有关部门的共同努力,我国已具备了积极推进核电建设的基础条件。在工程设计方面,我国已经具备了30、60万千瓦级压水堆核电厂自主设计的能力;部分掌握了百万千瓦级压水堆核电厂的设计能力。在设备制造方面,自上世纪七十年代即具有了一定的研制能力。目前,可以生产具有自主知识产权的30万千瓦级压水堆核电机组成套设备,按价格计算国产化率超过80%;基本具备成套生产60万千瓦级压水堆核电厂机组的能力,经过努力,自主化份额可超过70%;基本具备国内加工、制造百万千瓦级压水堆核电机组的大部分核岛设备和常规岛主设备的条件。在核燃料循环方面,目前已建立了较为完整的供应保障体系,为核电厂安全稳定运行提供了可靠的保障,可以满足目前已投运核电厂的燃料需求。在核能技术研发方面,实验快中子增殖堆和高温气冷实验堆等多项关键技术取得了可喜进展。

核电安全是核电事业健康发展的关键,一方面搞好核电厂的安全运行,同时抓好在建核电厂的建设。“安全第一、质量第一”始终是中国核工业必须遵循的方针。1984 年国务院决定成立国家核安全局,对民用核设施的核安全进行独立监管,建立了核安全监督体系,并确定了政府有关部门和营运单位的职责。1986 年开始陆续颁布核安全法规,依法监管核安全。为了使中国的核安全要求和核安全水平与国际水平保持一致,对已公布的核安全法规和标准逐步进行修订,对修订周期较长的法规内容,以“核安全政策声明”的形式预先发布。

在核安全法规及核应急体系建设方面,结合国内核电的实际情况,我国目前已经初步建立了与国际接轨的核安全法规体系;制订了核设施监管和放射性物质排放等管理条例,建立了中央、地方、企业的三级核电厂内、外应急体系。

2007年10月国家发展和改革委员会制定的核电中长期发展规划 (2005~2020年)指出核能已成为人类使用的重要能源,核电是电力工业的重要组成部分。由于核电不造成对大气的污染排放,在人们越来越重视地球温室效应、气候变化的形势下,积极推进核电建设,是我国能源建设的一项重要政策,对于满足经济和社会发展不断增长的能源需求,保障能源供应与安全,保护环境,实现电力工业结构优化和可持续发展,提升我国综合经济实力、工业技术水平和国际地位,都具有重要的意义。

发展核电的重要意义是有利于保障国家能源安全。一次能源的多元化,是国家能源安全战略的重要保证。实践证明,核能是一种安全、清洁、可靠的能源。我国人均能源资源占有率较低,分布也不均匀,为保证我国能源的长期稳定供应,核能将成为必不可少的替代能源。发展核电可改善我国的能源供应结构,有利于保障国家能源安全和经济安全,有利于调整能源结构,改善大气环境,有利于提高装备制造业水平,促进科技进步。

我们要充分认识到,建造核电厂是有风险的,首先是强放射性。在核裂变过程中,除了释放出巨大的能量以外,伴随着有大量放射性物质的生成。一般说核反应堆每1W热功率,在燃耗末期积累的放射性活度将为3.7×1010Bq(贝可,3.7×1010Bq=1Ci)。一个100万千瓦电功率的核电厂,热功率约为300万千瓦,燃耗末期积累的裂变产物放射性将高达1020Bq。当然,实际运行的情况下,核反应堆内放射性物质绝大部分都保留在燃料元件内。只要包壳不破损,芯块不熔化,这些放射性物质就不会逸出到环境中。

其次是衰变热。反应堆停闭后,堆芯内中子链式裂变反应虽然中止,但是,裂变产物继续衰变,这些裂变产物的半衰期有的很长,射线在与周围物质作用时由于受到阻挡而释放出热量,这就是衰变热。由于反应堆在停堆后,还有一定量的功率,因此反应堆必须设置停堆余热排出系统来保证反应堆的安全。反应堆停堆后的功率,主要由缓发中子引起的裂变反应、裂变产物的衰变以及其它材料的中子俘获等因素引起的。经过科学计算,核反应堆在停堆几小时后,还有1%左右的热功率。可见核电厂即使停堆以后,在一个相当长的时间内,仍需要不断提供冷却手段,使堆芯得到冷却。

为了达到核安全的目标,核电厂的基本设计思想是设置纵深防御设施及建立防止放射性物质释放的多道实体屏障。

核电厂设置安全设施时采用了多层次设防的总的指导原则,这就是纵深防御原则。这一原则是针对核电厂特有的潜在的危险性而确定的。核电厂利用多层次的安全设施保护一系列的实体屏障,使得个别的人因差错或机械失效可得到补救或改正,不会伤害公众或影响环境,甚至在极不可能发生的多重失效致使实体屏障不完全有效的情况下,也能保持基本安全功能,对公众和环境只会造成极小的伤害。

为了防止放射性物质的释放,轻水堆核电厂普遍采用三道实体屏障,即燃料元件包壳、反应堆冷却剂系统承压边界和安全壳及安全壳系统。另外,燃料芯块、反应堆冷却剂、安全壳内空间及厂外的防护距离也都可视为缓解放射性危害的屏障。正常运行时,大部分放射性裂变产物保持在燃料芯块内,部分气态裂变产物处在芯块与包壳之间的气隙内。燃料元件包壳将全部裂变产物密封在其内部,形成第一道屏障。在燃料元件包壳有破损的情况下,部分裂变产物释放到反应堆冷却剂系统,通过冷却剂的净化而控制对环境的释放,形成第二道屏障。在燃料元件包壳破损,同时又发生反应堆冷却剂承压边界破损的情况下,裂变产物将释放到安全壳内,安全壳及安全壳系统,如安全壳喷淋系统、安全壳隔离系统将使裂变产物留在安全壳内,而后通过处理,控制对环境的释放。

纵深防御原则主要通过一系列实体屏障来实施,只有在这些实体屏障全部完好且能发挥其设计功能时,才允许功率运行。对于每一道实体屏障,又要按照纵深防御原则采取一系列措施加以保护,来提高他们的可靠性,防止这些屏障受到过份的冲击,防止他们受到损害而失效,并且防止多道屏障相继损坏。