目录

国家成就了中国核电

在中国核电基础建设的三十五年中,高层决策者一直坚信核电的发展符合并有助于实现国家的长远发展目标和价值观。大多数关键的决定最终都是由国家和中国共产党的领导层做出的。参与核电建设的各方,例如公司管理者、核科学家、工程师和规划制定者,提出的方案极大影响了中国核发展方向,但只有得到政府最高层的批准,才能转化为政策。

中国致力于利用核裂变能发电,分为两个重要阶段:第一个阶段是在20世纪70年代末,中国计划启动核电厂建设;第二阶段是在本世纪前十年中期,加速核电厂建设。这两次决定都是由国家的最高领导层与为了特定目标推动中国核电建设的技术官员共同做出的。

中国的核能研究始于20世纪50年代,主要是在与苏联双边合作的基础上进行的。20世纪50年代中期,中苏双方就一系列和平核研究合作项目展开讨论,其中包括磁约束聚变和裂变反应堆。7中国科学院按苏联的模式建立,下属的中国核物理研究院从20世纪50年代开始从事军事目的和潜在和平目的利用核能的研究。1955年,中苏核合作讨论的重点已经不是和平利用核能项目,而是中国如何制造核武器。8

从20世纪50年代开始,毛泽东批准中国军事研究机构发展核武器,按照他的观点,这样中国就不会再受到帝国主义敌人的核讹诈了。9中国当时是第二次世界大战后发展核武器的国家中最贫穷和最落后的国家。就中国有限的核研发资源分配问题,中国官方内部进行了激烈的争论,最终中国军方击败了核电拥护者。10

1964年,经过六年的努力,中国成为继美国(1945年)、苏联(1949年)、英国(1952年)和法国(1960年)之后,第五个成功制造和引爆核爆炸装置的国家。除了中国外,这些国家在核爆炸试验后,都迅速建造和运行了核裂变反应堆,用来产生可转化为电的热能。

中国第一次核爆炸试验后不久,毛泽东发动了历时十年的文化大革命,引起国内一片政治动乱,滞缓了核电计划的进程。11直到1981年,中国才批准建造第一座核电厂,比四个核武器国中最后开始核电生产的法国晚了18年。12

20世纪70年代,中国共产党内部出现了一批提倡现代化和改革的领导者,他们在70年代末掌握了国家的领导权,从此,中国的核电发展之路畅通无阻。邓小平、周恩来等中国其他领导人听取了科学家和电力技术官员的建议,也就是核能将减少中国对煤炭的依赖,扩大人口稠密的沿海地区的电力产能,并使中国赶上核技术遥遥领先的外国。13在这种思维的鼓舞下,20世纪80年代和90年代,中国国有企业得到了外国工业合作伙伴的帮助和地方政府的支持,建造了为数不多的几座核电厂。

2005年,中国的核电建设计划突飞猛进。就像二十多年前最初决定建造动力反应堆一样,中国领导人和技术官员的意见再次达成了一致。当时,温家宝总理赞同专家的观点,即应该大力推进核能生产,核电复兴即将在发达国家兴起。而在幕后,高层领导人也越来越多地提倡核能,以应对中国经济增长带来的能源安全和污染问题。

2005年3月,温家宝调整了政府的核电发展政策,将中国的核电发展力度从“适度发展”调整为“积极发展”。这一原则决定迅速纳入中国2006—2010年“十一五”规划的细则,并被纳入新制定的《核电中长期发展规划(2005—2020)》。14中国设定的目标是将核电产能从2005年的7 GWe扩大到2020年的70 GWe。15中国还鼓励法国、俄罗斯和美国的公司竞标中国核电厂设计项目,为未来一系列的核电厂提供技术支持。中国政府最后选择了西屋公司,2006年授权国家核电技术公司与西屋公司签订了合同,首批建造4台机组。国家核电技术公司是国务院(中国政府主要行政机关)设立的负责外国核电厂技术引进的公司。与此同时,最重要的国有核企业——中国核工业集团公司(以下简称为“中核集团”),准备响应政府不断扩大的核能战略,建造多达30座反应堆。

从中国第一座核电厂项目启动到决定加快核电发展的二十年间,中国总理从李鹏换为朱镕基,再到温家宝,期间中国核电的发展情况明确说明,技术官员关于核电的倡议,必须得到上层领导的支持,这是十分重要的。李鹏在1988年当选总理,在此之前,他长期担任电力部门的经理和电力工业部副部长,他毫不动摇地将核能项目放在发展的首位。1998年朱镕基接替李鹏,他并不像李鹏那样支持核能。相反,他把新的投资从核能计划转到其他行业,更倾向于对中国石油行业的建设和电网改善。20世纪90年代末,他暂停了核电厂的建设,长达三年。2003年,温家宝接任总理一职,一改朱镕基的核能政策,加快了核电厂的建设。那些主张核电发展的规划设计者和技术官员使温家宝确信,面临瘫痪的煤炭运输瓶颈导致中国电力短缺,有必要对这一问题做出了断。16有些部门批评温家宝总理在本世纪开始几年的决策,认为是对短期事件的过度反应,但他们启动了一项应急计划,快速建设中国的核电基础设施。

六年后,日本福岛核电厂发生严重事故后,中国最高领导层再次直接干预了中国核电的发展。这标志着中国第一次因外部核能领域出现的新情况做出了调整自身核电发展计划的决定。中国管理者没有预料到日本三座反应堆的毁坏情况。当时,中国有20多座反应堆正在运行或正在建设中,为此中国领导人立即命令技术官员采取必要措施,确保类似事故不会发生。17

日本核事故发生的五天后,国务院暂停了对中国新建核电项目的审批工作,并推迟了一些先前批准的核电项目的建设。2012年10月,中国政府内部就核安全问题展开了一场辩论,进而将此问题提交到更加引人注目的全国人民代表大会进行讨论。随后,中国正式宣布2015年前将暂停内陆核电厂建设,。在内陆地区建设核电厂,是中国2005年制定的在中国人口密集的沿海地区以外大力推进核电建设计划的一个重要组成部分。

截至2018年,福岛核事故并未影响中国政策的总体方向,但几乎立即促使政府对核电项目的审批采取了更为保守的措施。据一位当时与中国同行进行协商的西方前政府官员称,日本的灾难最初促使中国领导层认真考虑改变温总理在2005年制定的提高中国核电产能的计划,但最终决定不进行改变。18最后,作为对事故的反应,领导层采取了折中方案:中国政府停止了采用老旧技术的反应堆建设,并规定只有采用新型反应堆的建设项目才能获得批准。由于这些决定,“十三五”规划(2016—2020年)制定的核电厂建设目标可能无法按时实现。

如果“十四五”规划恢复在内陆地区建设核电厂的计划,中国的核电计划可能会继续保持高速发展,并有可能在本世纪20年代某个时候跨过100座反应堆这个门槛。但是,中国政府各部委和业界的一些官员用2005年以来最公开的方式断言,雄心勃勃的核电发展步伐太快、太冒险,应该放慢脚步。192011年,国务院决定有选择地暂停核电建设,并对中国所有核电厂的安全状况进行调查。中央的这一决定为他们提供了政治保护。截至2018年,中国政府尚未就未来几十年中国还需建设多少座核电厂达成共识。中国政府机构、研发部门及其咨询机构预计,2050年的核电产能将在150 GWe~500 GWe之间。福岛事故发生前,预测值倾向于在400 GWe ~500 GWe之间。福岛事故发生后,预测值大大降低,在150 GWe ~200 GWe之间。

稳定的核能政策要素

从一开始,中国政府就打算为核电活动建立一个稳定的组织架构和管理体系。过去的四十年,中国政府为了平衡各方面的利益,包括学术研究机构、核武器科学家、军方、矿业部门、电力工业、中国政府的规划者和共产党,曾建立、重组,并在某些情况下解散了一系列部委、委员会、跨机构“领导小组”和国有企业。

目前,国务院是决定中国核电未来发展方向最重要的权力机构,但其附属机构的利益目标却与它截然不同。近二十年来,国家在国务院下设了多个负责核电决策的机构,包括国家能源局,代表若干政府机构和部门,负责政策的执行;国家发展和改革委员会(以下简称为“国家发改委”),负责规划和基础设施发展;国家核安全局,它是中国的核电监管机构,最初是中国环境保护部下属的一个缺乏政治影响力的部门,近十年才被提升到了较高的地位。2010年,中国成立了国家能源委员会,代表二十多个政府部门协调决策。

多年来,中国的核体制结构一直非常不透明,外国政府、甚至相关的中国官员也无法就谁是主管机构达成一致。据一位研究人员称,西方观察家被误导了二十多年,认为核能政策主要是由国家原子能机构决定的。因为曾有一段时间,该机构声称具有多种与政策有关的职能。“事实上,除代表中国参加国际原子能机构外,这些职能或工作均不由中国国家原子能机构承担或执行。” 20

无论中国政府如何组织和重组官方核能管理机构,中国核电发展政策中几个具有战略意义的重要目标却一直未变:确保不断发展的中国拥有足够的能源;实现中国能源燃料资源多样化,并实行更有效的管理;集中管理控制工业应用技术的发展进程和方向;减少发电用煤的消耗,减少大气污染。

区域发展和燃料多样化

从一开始,中国核能规划就一直朝着一个目标前进,即减轻中国电力产业对燃煤的依赖,改善中国能源资源分配的不平衡。

中国拥有世界煤炭储量的10%以上,但其他矿物燃料资源却很少。几十年来,中国很大一部分电力来源都依赖燃煤。21中国近四分之三的煤炭储量位于中国的北部和西北部,远离中国电力负荷中心的东部沿海。1975—2000年,中国燃煤电厂的发电量在中国总发电量的占比从56%稳步上升到78%。22中国核科学家在现代化运动之初就预见到了这一趋势,认为核能发电可以减缓从中国内地向逐渐城市化的沿海地区输送越来越多的煤炭资源的困境。周恩来很早就对这个问题提出改变建议,他在1970年2月说:“从长远来看,核能是解决上海和东部地区电力短缺的唯一办法。”23

周恩来的这一言论是由上海严重的电力短缺引起的。三十五年后,中国沿海又爆发了一次电力危机,同样是由煤炭供应不足引发的,促使时任总理温家宝提出加强核电建设。当时的一个关键人物——中国国务院副总理曾培炎向温总理强调,除非采取措施加强煤电之外的电力生产,否则电力短缺将变得更加严重。这意味着中国必须同时扩大核电和水力发电。曾培炎认为,扩大东部沿海的核电生产是必要的,因为中国的大部分煤炭资源都在北方,大部分水力资源都在西南地区,为此中国必须拿出一半的铁路运输能力和三分之一的河流运输能力向沿海城市供应燃煤,以供发电使用。曾的言论得到了核电行业的支持。24

技术与产业政策

同时,中国领导人也对毫无限制地发展核电产生的政治风险持警惕态度。20世纪70年代末及以后,中国的政策制定者曾讨论过核电发展之路:是自力更生地发展核电基础设施(这意味着进展将会很慢),还是通过与已经掌握了中国所需的关键技术和专业知识的外国政府和行业的合作,快速发展核电工业。那些提倡依靠自主技术的人包括中国核武器计划的专家,他们希望发展利润更高的工业项目。他们也觉得1959年苏联决定不向中国提供核武器设计是一种背叛。25最终,中国在20世纪80年代开始了一个折中的双轨发展的方案,一方面试图从外国技术转让中获益,另一方面也要保护中国的行业利益。

这种双轨方案也促使中国组建了两家最重要的国有核企业:第一家是中核集团,于1988年从中国前核工业部分离。中核集团不满国外对中国核电发展的影响,率先在上海地区建设核电厂。第二家公司是中广核电力控股有限公司(以下简称为“中广核电力公司”),成立于1994年,应中国政府决策者的命令而成立,目的是作为中核集团的竞争对手,与外国公司(尤其是法国的公司)一起促进核电的发展。

中广核电力公司借助法国的技术在广东大亚湾建立了一座核电厂。在这个项目期间和之后,广东的管理人员和政府的目标是,与法国核工业合作,扩大核电建设,保障中国东南部快速增长的财富和电力需求。20世纪90年代,由于中国政府官员的担忧,中广核电力公司的核电建设受到影响。1997年香港回归,作为一个交换条件,英国要求保留香港的决策自由。中国政府担心这种决策自由会波及到毗邻的广东。26这种国外与本土、中央与地方的紧张关系和争执,滞缓了20世纪90年代中国核电的发展。

但是,到20世纪末,中国政府圆满解决了这些问题。从此以后,中国政府愿意承担可能遗留的风险,即随着广东和其它地方建设更多核电厂,那些日益富裕的和全球化的核电项目执行者更有能力向中国政府索要自主权或破坏中国政府的稳定。本世纪前十年之初,中国决定将中国的核电部门向更多的资本开放,但同时又规定,电力生产投资必须经中国政府批准。此外,中国政府还指导正在进行的中国核电工业部门的重组工作,从实际上确保中核集团及其子公司拥有几乎所有即将组建的重要公司(包括竞争对手中广核电力公司)的股份,而这些公司将以越来越深入的技术、越来越广的地缘范围承接中国核工业的业务。27

从核电发展计划实施以来,中国领导人就确保中国政府能够通过国有企业牢牢控制核电未来的发展方向,只是细节工作仍需要有着不同利益的国有企业高管去处理。国务院先后成立了中核集团和中广核电力公司,这是在中央控制下更广泛的战略经济活动重组过程的一部分。中国政府还解散了以前的国防部和工业部,建立了负责航空、航天、武器生产、船舶建造和核能的国有企业。在组建第一家国有核企业时,国务院赋予中核集团的任务是建造和设计核电厂,生产核燃料、同位素和军用核硬件,并管理核废物。随着核电计划的扩大,中国在20世纪90年代建立了更多的国有企业,包括中广核电力公司。

国务院的决定启动了中国公司化的进程,这在某些领域深刻地改变了国家与中国核工业之间的关系。中国领导人曾打算下放中国军工系统的管理权力、让军工系统“军转民”,实现盈利。事实上,他们的决定产生了意想不到的后果:国家意图放开经济竞争,同时保持对关键战略部门的严格政治控制,这两者之间是相互矛盾的。鉴于国家旨在保护其在所设立的公司中的利益,“国有企业与行政管理上级之间”就一直存在讨价还价的关系。28随着时间的推移,各家核公司最终建立起了并行的决策结构,与因改革而摆脱中国政府紧箍咒的地方政府发展关系。中国的这些变化促使国有核企业形成了自身特殊的利益,这与国家利益迥然不同,目的是限制财务问责和监督,并促进过度就业和行业保护。29

从1985年起,中国在广东启动了建造少量核电反应堆的项目。法国公司按照合约,协助中国积极推进核电厂建设、设备生产和操作的本土化进程。此外,法方还开展了一项全面的人才培养方案,为中广核电力公司接管广东核电厂各方面的管理做准备。30中国对美国的合作伙伴施压,签订了类似的协议,要求西屋公司将核电反应堆设计技术转让给中国。中国还与俄罗斯和加拿大的合作伙伴签订了更加严格的本土化协议,开展类似的人才培养合作。

在过去二十年的发展过程中,中国的核技术选择政策与大多数其他核电国家一样,几乎完全集中在轻水反应堆(简称“轻水堆”)上。轻水堆被认为是最安全的核反应堆,符合世界反应堆发展趋势。2005年左右,世界范围内运行的轻水堆共有400座,已积累了大量的操作经验,安全问题越来越少。因此,中国把获得这项技术的自主知识产权放在了首位。

电力及其增长

本世纪2005年左右,中国做出了大力加快核电厂建设的决定,部分是出于对更大范围的能源安全的担忧。决策者仍然相信,中国以资本投资为主导的经济增长模式若要继续确保经济高速增长,前提是有与经济增长相适应的、不断增长的基础电力供应的支撑。

以前中国东部沿海地区冬季一直存在煤荒和电荒的现象,20世纪70年代曾推动了中国的第一轮核电投资;本世纪前十年早期,促使中国领导人对此做出了过度反应。在做出增加核电建设的决定后不到一年,中国决策者则预测,中国将很快出现电力过剩问题。31然而,领导层一如既往地将电力过剩问题视为经济的短期调整,并仍然充满信心地认为,中国经济以及电力需求仍将像过去十年一样持续增长。 1996年,时任总理李鹏在全国人大会议上宣布,中国已“提前五年实现”了1980年提出的到2000年国内生产总值(GDP)翻两番的目标。32“十五“规划(2001—2005)提出的下一个目标是,GDP将以每年7%的速度增长,“十一五”规划(2006—2011)预期增速为9%。事实上,中国都超额完成目标。

随着中国经济的快速增长,中国的能源资源处于紧张状态。中国决策者制定了降低中国GDP的综合能耗强度的目标,“十一五”规划要求减少能耗强度20%。但他们也谨慎地预计,随着中国变得越来越富裕,并且继续城市化,GDP的电耗强度下降幅度可能远远不够。中国电力部门聘请的经济学家预计,电力消耗、城市化和GDP之间会长期存在密切关联,这也是西方工业经济体的历史经验。33

中国的数据证实了他们的预计。中国城市人口的比例从1980年的19%上升到2000年的36%,2015年上升到56%。同期,中国人均用电量从1980年的281 kWh增加到2000年的993 kWh,2015年增加到约4000 kWh。34在中国核电发展的最初二十年里,中国电力需求的增长率与GDP的增长率非常接近。到1995年,中国超过美国,成为世界上最大的电力消费国。在邓小平提出改革后的大部分时间里,中国的电力消耗每年增长约10%。1980—2014年,中国工业的发电量实际上增长了23倍,从60 GWe增加到1360 GWe,平均每年增长9%。35

应该说,2005年中国积极的核电发展政策考虑到了经济增长、人口增长和能源燃料安全。在政府内部,那些坚信中国需要更多核电的技术官员曾千方百计地防止持谨慎态度的国家发改委决策者,干扰温家宝的“积极”核电发展战略。国家发改委的一些技术官员曾强烈建议,有必要建立一个专门的政府机构,对国家能源政策进行战略评估和协调。于是,2008年组建了国家能源局,最初工作人员不足100人。中国政府的资料显示,国家能源局最初没有任何实权,但后来承担国家发改委制定未来电力规划目标的任务。现在,国家发改委通常遵循国家能源局的建议。36

环保政策

从20世纪70年代开始,中国的现代化改革者提倡发展核电。他们认为,核电与煤炭不同,不会污染空气。由于经济的失控性增长,燃煤发电厂排放的颗粒不断增长,导致中国空气污染严重。为此,技术官员和政治领导人决定加速中国的核电计划,他们一致认为,核电应该会减少微粒排放,只是或多或少的问题。在接下来的二十年中,中国领导人开始更加关注日益严重的污染问题,并逐渐顺应国际潮流,加强了对温室气体排放威胁的认识。在1999年《京都议定书》谈判期间,中国并没有承诺减少碳排放。但五年后,在《能源中长期发展规划纲要(2004—2020)》中,中国选中核能作为一种要加大投入的无碳能源,为未来核技术“跨越式”发展开了绿灯。37

那些反对燃煤发电污染的核电倡导者认为,必须建设更多的核电厂,才能改变中国的现状。他们的观点是正确的。在中国核电发展的前三十年里,反应堆在中国电力燃料消耗中所占的比例还不到3%。即使在加速核电部署之后,中国仍继续建设了许多燃煤发电厂。2005—2009年这短短五年里,中国增加的燃煤发电能力相当于美国燃煤发电能力的总和。而在2010—2013年间,中国又增加了相当于美国总装机容量50%的发电能力。38目前,中国每年烧掉约40亿吨煤,今后许多年还将继续消耗巨量的煤炭。即使经过十五年强制核电建设和可再生能源技术部署之后,到2020年,中国实际情况还将是三分之二的电力生产仍将依靠燃煤。39

2005年决定加快核电发展之前的五年,中国的燃煤量增加了75%,这导致中国”十五”规划(2000—2005年)中制定的13个污染控制目标中的10个未能实现。当时,中国是世界上最大的大气二氧化硫排放国。2005年,中国二氧化硫和烟尘排放量分别比计划开始时设定的上限高出42%和11%。一年后世界银行公布的数据显示,2005年中国城市的大气颗粒物水平是北美和西欧有可比性城市的4倍。40

来源:美国能源信息署(EIA)

来源:美国能源信息署(EIA)

中国的核燃料循环

从20世纪80年代开始,中国除了建造核反应堆外,还就如何处理核电厂产生的乏燃料和核废物做出了初步决定。从一开始,中国就仿照外国核计划制定了远见卓识的能源资源管理和技术发展计划。

目前,与世界上几乎所有的动力反应堆一样,中国建造的所有核电反应堆都是热堆,利用位于堆芯的慢化剂(通常是水)把中子速度降低。几乎所有的热动力反应堆都是轻水堆,中国所有的轻水堆都是压水反应堆(简称“压水堆”),是最常见的轻水堆类型。通过慢化反应堆中的中子,增加了中子与堆芯中核素的碰撞概率,使之发生裂变反应,从而产生热、放射性裂变产物以及大量的重超铀元素。利用热产生蒸汽,驱动发电机发电。反应堆在运行过程中,燃料中参与链式反应的同位素的浓度耗尽后,将含有裂变产物和超铀物质的高放射性燃料组件或乏燃料组件从反应堆芯中取出,放入充满水的池中,令燃料组件释放余热,并逐渐降低放射性。乏燃料从反应堆堆芯取出时,温度和放射性都极高,因此在取出后的数年,需要采取主动冷却措施。

和其他国家一样,中国也通过两个基本方法处理这些反应堆的乏燃料。一是将乏燃料无限期地贮存在反应堆所在地的水池中和空气冷却的干桶中,或者集中贮存在几座核电厂共同使用的贮存设施中,最后安放在地质处置库中。还有一种方法是,乏燃料贮存几年后,将部分或全部乏燃料从贮存设备中取出,运到后处理厂进行分解和溶解,然后将各种成分,例如铀、钚、其他超铀元素以及裂变产物等分离回收。钚和铀可再加利用,制造新的燃料。从乏燃料后处理中获得的其余所有物质作为核废物收集和储存,并安放在在地质处置库中。

自上世纪50年代,世界上贮存了来自400多座动力反应堆的大约有30万吨重金属(MTHM)的乏燃料,大部分贮存在反应堆所在地。41约90%都储存在水池中,其余的储存在干桶中。每年,全球乏燃料库存约增加1.2万MTHM。到2030年,可能还会产生40万MTHM的乏燃料。42

每年,只有一小部分乏燃料进行了后处理;最近几年,每年大约有3000 MTHM,但目前这个数量所有减少。43动力反应堆乏燃料后处理流程是:切割燃料组件,使二氧化铀燃料的棒束裸露出来;然后用热硝酸溶解燃料;使溶解的燃料元件与未溶解的燃料包壳残渣和一些废裂变产物分离;利用有机溶剂从溶解燃料元件中萃取出核物质。理想情况下,回收这些核物质,特别是铀和钚。对分离出来的废物残渣单独进行浓缩,然后与固体介质(如固化玻璃)混合,经过存放,最后永久放置在地质处置库中。回收的铀和钚可以作为反应堆燃料再循环利用。

法国等少数国家,从反应堆乏燃料中回收核材料已是一项成熟的技术。过去二十多年来,法国已经后处理了2.6万MTHM二氧化铀乏燃料。他们将从乏燃料中萃取的钚与铀结合,形成混合氧化物(MOX)燃料进行回收利用,法国22座轻水堆和全世界40座反应堆都使用这种燃料,节省了约17%的天然铀。44

大多数国家的政府和工业部门在启动核电计划时,并没有就乏燃料的长期管理启动针对性的投资或采取具体的行动。中国也不例外。20世纪70年代末,中国政府对首座核电厂建设翘首以昐,但并没有制定乏燃料管理计划,只是将乏燃料贮存在反应堆场址所在地。几十年来,中国的核电反应堆越来越多,产生的乏燃料一直贮存在核电厂的水池中。

当第一批核电厂还在处于计划阶段,中国政府领导人只是模糊地意识到,产生的乏燃料必须得到数百乃至数千年的精心管理。到了20世纪80年代中期,邓小平领导的改革继续深入,局面发生了很大变化。中国的主要核技术官员,已经让领导层相信核能技术对中国的长远未来至关重要,这些官员中的大多数在二十年前曾是中国核武器发展的主力军。除了经邓小平批准建造几座压水堆核电厂外,这些官员还勾画了这样的蓝图:发展快中子增殖反应堆,对中国不断增加的乏燃料库存进行后处理,用回收的钚作为燃料,为中国提供潜在的无限能源。

后处理

1986年,为了加速中国的技术发展,在中国战略武器计划的主要科学家和技术官员的支持下,邓小平启动了国家高技术研究发展计划,即“863”计划。45这个研发项目资助了两个试点项目,即当时的钍铀燃料循环的后处理项目和快堆开发项目。46这两个项目为中国建设闭式燃料循环打下了基础。

1987年,在筹备建设中国首批两座核电厂——浙江秦山一号核电厂和拥有两座反应堆的广东大亚湾核电厂的同时,中国政府表示,像日本、俄罗斯和其他核电技术领先的国家一样,中国将对乏燃料进行后处理而不再是处置,从后处理中回收钚和铀,并将它们用作反应堆的核燃料。中国能源局核电司通知国际原子能机构,中国将在20世纪90年代中期建立一座后处理中间试验厂,然后在本世纪初再建立一座工业规模的后处理厂,贮存秦山、大亚湾和将来中国核电厂产生的乏燃料。中国东海岸核电厂的乏燃料在进行后处理之前,将在核电厂的水池中储存3~5年。随后,乏燃料将运往中国西北部中央处置库的后处理中间试验厂进行后处理。47

中国建造后处理厂的计划与先进核国家的理论十分相似。所有先进的核国家都认为,从长远来看,新的铀燃料将越来越昂贵;借助放射性同位素分离这一新技术,对乏燃料进行的后处理,将会限制核废物的数量,并可以最大限度地回收核材料,最终将实现核废物更安全的管理。因此,能源部官员告诉国际原子能机构,中国将对乏燃料进行后处理,原因有以下四点:1)从乏燃料中回收铀和钚,用作核燃料(未经后处理,“核资源就没有得到充分利用”);2)中国铀矿开采、加工、浓缩成本高;3)因为“高放废物玻璃固化体的最终处置更加安全”;4)利用以后从后处理废液中回收的其他超铀元素,包括镎、镅、锔“以及一些有价值的裂变产物,如钯和铑,满足各种需求。”48

中国继续设计和建设后处理中间试验厂,根据中国专家的说法,2010年12月完工并调试成功,比20世纪80年代最初预计的时间晚了十五年。处置装置建在中国西部偏远地区甘肃酒泉的404工厂,2004年开始逐步调试,历时七年。延期原因有以下三个方面:行政方面的问题,苏联解体后与俄罗斯同行合作遇到阻碍,以及工厂在建设过程中遇到了质量控制问题。49自20世纪50年代以来,中国原子能科学研究院一直是中国核材料科学的主导机构。2005年,该机构的官员曾预测,温家宝总理加快核电厂建设的决定会导致燃料循环研究进一步推后,因为中国将优先进行基于压水堆的核电厂建设。50中国专家在后处理厂调试完成后称,此项目的成功,得益于20世纪50年代末为中国核武器计划建立的三座钚分离后处理厂二十年来的研发和运行经验。该处理厂直到20世纪80年代才退役。51

过去二十年来,这后处理中间试验厂项目成为一些技术创新的试验平台,这些技术创新超越了20世纪50年代已退役的军用燃料后处理厂采用的旧技术。从2004年开始,该中间试验厂演示了中国设计的用于切割乏燃料棒的剪切机。此外,还测试了用于溶解乏燃料的工艺化学设备,控制了压力、温度、进料速率、分离(包括离心分离)速度等关键参数,计算了系统中核材料的质量平衡,测试了分离用的工艺化学设备的性能测量了钚和铀的回收率、去污率和净化率。52

后处理中间试验厂选择的溶剂萃取和提纯技术,与中国军工后处理厂不同。按照计划,中国利用该中间试验厂积累后处理设施的设计和建造经验,培训操作人员,并从经过中国材料测试反应堆(MTR)辐照的乏燃料中回收了高浓铀,并且回收了将来用于动力反应堆的材料。据中国专家称,核工业部早在二十五年前就计划在中间试验厂投产后不久进行这些活动。53

公开资料表明,后处理中间试验厂最初的设想是在运行寿期内分离至少数吨钚,用作核燃料。比如,该工厂首端的一个水池贮存区,能容纳通用高功率研究堆产生的500 MTHM 轻水堆乏燃料和50 MTHM 材料测试反应堆乏燃料。54大多数非官方资料估计,假设工厂按常规运行回收钚和铀,按照乏燃料贮存区的规模,设计处理能力应为每年50 MTHM。55然而,在运行最初的某一阶段,该中间试验厂不再打算定期或持续进行的核燃料回收生产。2016年初,一位接触该项目的中国科学家表示,50 MTHM将是该工厂整个寿期最大的乏燃料后处理量。其他专家在2016年末和2017年表示,该中间试验厂的累积寿期后处理量可能远低于50 MTHM,甚至不到其一半,这取决于该中间试验厂是否会进行改造。如果是这样的话,可能将会对该中间试验厂进行一些升级改造,解决核材料库存估算极高的不确定性问题。56这种极高的不确定性可能是测量和工艺工程问题共同造成的。中国专家的这些声明与中国每年向国际原子能机构报告的民用钚库存状况的数据相符。这些数据表明,该中间试验厂不经常运行,很少处理乏燃料,而且工厂可能在2014年无限期停止运行。57

快中子反应堆

1987年,核工业部向国际原子能机构报告说,后处理中间试验厂的一个重要目标是回收钚,然后合成为含钚和铀的燃料,即混合氧化物(或MOX)燃料,供未来的快中子增殖反应堆使用。58

中国的轻水堆以低浓铀为燃料,使用水冷却燃料,并减缓(或慢化)反应堆堆芯燃料释放的中子,增加它们引发放热裂变反应的概率。而快堆不通过水或其他物质来慢化中子,因此这些中子仍是高能或“快”中子。若要利用快中子,反应堆的燃料必须是高浓度的易裂变材料,高浓铀和钚都可以用作快堆燃料。如果堆芯中的燃料外围是一个由铀-238同位素组成材料组成的“再生区”,那么这种贫化铀就能捕获燃料释放的快中子,铀-238就会转化为钚-239。这样,快堆就可以“增殖”大量的钚,而钚反过来又可以作为燃料,供更多的增殖反应堆使用。世界上大多数快堆都是用液态钠冷却的,这种液态钠可以有效地将裂变能产生的热量,传输到涡轮发电机系统进行发电。

中国建立快堆的决定,同样是追随了20世纪50年代初发达核电国家的决定。20世纪80年代末,中国开始建造第一批轻水堆时,法国、德国、印度、苏联、英国和美国已经开始了雄心勃勃的快中子增殖反应堆开发和建设项目,目的是为今后从轻水堆向更先进、更复杂的技术过渡指明道路。其中有几个国家同时准备为未来的快堆生产MOX燃料。

1986年,中国政府批准后处理中间试验厂项目列入“863”计划,与此同时,中国还启动了一个试验性的快中子增殖反应堆项目。

20世纪60年代,中国热衷于快堆的研究人员建立了一个试验性的钠回路循环,即含有热液态钠的模拟快堆回路,并建造了使用铀燃料的零功率装置。该装置在1970年6月达到了临界状态,尽管那时中国正处在政治动乱当中。20世纪70年代,中国国防核计划的技术官员说服邓小平和其他领导人,与后处理项目一起发展增殖反应堆,因为铀的供应有限,铀加工成本过高。其他国家的增殖反应堆倡导者也提出了同样的观点,他们认为核能发电将迅速扩大到在全球,美国将建立一个铀垄断联盟来控制全球核燃料供应。

中国的技术官员认为,核能技术属于对中国具有战略意义的技术,因此有资格获得“863”计划的支持。为了强调他们的主张,核科学家为核技术的发展制定了一个“三步走”的长期构想。他们预测,中国(以及世界上)目前以轻水堆为基础的核电设备,将被以回收的钚和铀为燃料的快中子增殖反应堆系统取代,而这个核电系统继而也将被一个更加先进的、以核聚变能源为基础的系统取代。59其他国家的增殖反应堆拥护者也提出了类似的设想,尤其是印度。60

1986年,中国将快堆发展纳入“863”计划,并建造了大约20个实验钠回路,其中两个是从意大利废弃的快堆项目引进的。中国原子能科学研究院和北京核工程研究设计院着手设计中国实验快堆。1997年,中国与俄罗斯开展了快堆双边合作,在俄罗斯的协助下,中国实验快堆的初步设计工作已经完成。

中国实验快堆是快中子增殖反应堆计划的核心部分,设计的额定功率为20 MWe。与后处理中间试验厂的情况一样,中国与俄罗斯的快堆试点合作项目也遇到了难题,严重滞后。经过长达二十年的建设、详细工程设计和设备采购,中国实验快堆终于在2010年7月达到临界,并于2011年7月并网。当时中国原子能科学研究院宣布,相比目前的轻水堆,中国实验快堆将使铀燃料的利用率提高60%。61

与后处理中间试验厂一样,中国实验快堆项目的目的是掌握技术,以便以后进行工业规模的部署。中国建设中国实验快堆的目的是积累与燃料和材料的辐照、安全和可靠性有关的经验,获得运行数据;提供设计反馈;获取设备研发的数据和经验;为将来闭式燃料循环流程步骤的实验室规模的试验提供经验。62与后处理中间试验厂一样,中国实验快堆自投产以来由于一些技术障碍,如工厂回路堵塞,一直没有正常运行。

战略意义

文化大革命结束后,中国新一届领导人为了追赶西方国家,将核电作为实现现代化和经济发展的众多工具之一。他们把重点放在了核电的短期效益上——可靠的电力供应和更清洁的空气。负责中国核国防计划的官员同意了中国政府的计划,缩小核军事工业综合体的规模,加强和平利用核能工作。作为回报,政府给核军事工业综合体提供了利润可观的商业机会。

从20世纪80年代开始,出于对建设更多核电厂前景的展望,中国领导层在决策时开始更多地考虑战略和国家安全问题,核能发电和后处理技术被认为具有战略意义。中国的核研发部门支持这一观点,理由是用于武器生产的钚可以提供无限的电力供应,使中国的实力能够赶上先进技术国家,尤其是苏联和美国。

20世纪80年代末,中国核军事工业综合体合并。但是,随着经济改革的推进,国有企业、中国政府部门和各省政府的利益浮上台面。中国政府对国有企业与外国企业的合作持怀疑态度,并且这种态度一直持续到20世纪90年代末才结束,那时中国政府圆满地解决了中央与地方的矛盾,支持快速发展的沿海地区。

20世纪80年代以来,战略思维主导着中国核燃料循环技术和基础设施发展规划。三十年来,中国一直把重点放在快堆和后处理试点项目上,目的是培养一批专家,赶上外国先进核技术。虽然花费的时间比预期的长,但中国在此期间的战略技术投资只占常规动力反应堆技术巨大投资的一小部分。

注释

7     毛里和子,“浅析中苏同盟:1957—1959年的政治进程”,北约与华沙条约组织历史研究项目,2005年6月,http://www.php.isn.ethz.ch/lory1.ethz.ch/publications/areastudies/documents/sinosov/Mori.pdf;王元西,李建刚,吴宜刚,“中国核聚变研究的能源需求与可能策略”,国际原子能机构,http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/P_1356_CD_web/Papers/Wan%20Paper%20EP%20I-4.pdf。

8     约翰·威尔逊·刘易斯,薛立太。《中国正在制造炸弹》,斯坦福:斯坦福大学出版社,1988年,第65-72页。

9     同上,第35-2页。

10   徐义冲,《中国核能政治》(英国贝辛斯托克:英国麦克米伦出版社,2010),第16-22页。

11   文化大革命并没有使中国政府停止所有与高科技发展有关的项目。1970年,中国成功地发射了第一颗太空卫星。参见:魏春娟,魏南西,戴瑞尔·E·布洛克编辑的《科学与毛主席的文化大革命:现代中国的科学与技术》(普利茅斯,英国:列克星敦图书公司,2013),第824页。

12   约翰·威尔逊·刘易斯,薛立太。《中国正在制造炸弹》,第104-36页。

13   徐义冲,《中国核能政治》:第20–4页,第26–7页。

14   同上,第60-4页。

15   侯建超等,“中国核电发展的政府政策与未来展望”,《电力工程学报》,第37卷,第3期(2011年9月)。日本福岛第一核电站发生事故后,到2020年达到70 GWe的目标降至58 GWe。

16   马克·希布斯,“核电需求低于预期,中国可能放弃核电计划”, 《原子核物理周刊》,1999年3月4日;凯文·普拉特,“中国的核电计划失去动力”,《基督教科学箴言报》,2000年7月21日,http://www.csmonitor.com/2000/0721/p7s1.html;同时参见徐义冲,《中国核能政治》,第51页。

17   作者与中国政府官员的谈话记录,2013年7月。

18   作者与西方政府官员的谈话记录,2017年2月。

19   作者与中国国企官员的谈话记录,2014年5月。

20   徐义冲,《中国核能政治》:82–3。

21   Kevin Jianjun Tu, Sabine Johnson-Reiser,“对中国煤炭进口增长的理解”,卡内基国际和平研究院,2012年6月,http://carnegieendowment.org/files/china_coal.pdf,第3页;《中国产业地图》编委会,《中国能源产业地图》(新加坡:世界科学出版公司,2011年),第7页。

22 “煤源电力生产(中国,1971—2014年)”,世界银行,http://data.worldbank.org/indicator/EG.ELC.COAL.ZS?locations=CN。

23   蔡建平,“中国核电计划的进展”,上海核工程研究设计院,1996年,http://www.iaea.org/inis/collection/NCLCollectionStore/_ Public/29/024/29024315.pdf,第67页。

24   作者与法国核工业主管的谈话,北京,2005年;“中国官员不希望朱瑢基批准新的压水堆项目”,《原子核物理周刊》,2002年4月4日第12-13期;国外厂商预期中国在2001年将建造4—6座压水堆,《原子核物理周刊》,2000年3月30日,4-6;Ann MacLachlan 和马克•希布斯,“中国工业重组可能持续”,《原子核物理周刊》,2005年1月6日,11-1。另参见:蔡,“中国核电计划的进展”,第68页。

25   约翰·威尔逊·刘易斯,薛立太,《中国正在制造炸弹》,60-5。

26   作者与西方政府官员谈话记录,伦敦,1998;北京,2000年。

27   马克•希布斯,“中核集团与国务院就中国核电计划的发展方向展开争论”,《原子核物理周刊》,2005年6月16日,第14页。

28   赵建民,布鲁斯·迪克森,《反思中国:战略、社会和安全》,伦敦:劳特利奇出版社,2001年,第11页。

29   同上,第21页。

30   国际原子能机构,《新核电计划的劳动力规划》(维也纳:国际原子能机构,2011年),http://www.pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/Pub1477_web.pdf,第53–62页。

31   Richard McGregor,“中国到2006年将面临电力过剩”,英国《金融时报》,2005年8月9日,http://www.ft.com/cms/s/0/4f3b629a-090c-11da-880b-00000e2511c8.html。

32   李鹏,“国民经济和社会发展“九五”规划纲要(1996—2000年)”,《回顾‘九五‘规划》,1996年3月5日,http://www.china.org.cn/95e/95-english1/2.htm。

33   胡肇光,谭先东,徐肇源。《我国2050年经济发展与电力需求探讨》(北京:中国电力出版社),第3-6页。

34   《电力消耗(中国,1971—2014年)》,世界银行,http://data.worldbank.org/indicator/EG.USE.ELEC.KH.PC?locations=CN。

35   何刚,蒋林,亚历山大·袁,“中国经济再平衡与电力需求”,劳伦斯伯克利国家实验室,2015年11月,https://china.lbl.gov/sites/all/files/ lbnl-1003799.pdf。

36   马克•希布斯,“中国工业可能持续重组”,《原子核物理周刊》,2005年1月6日,第11页。一位外国核电行业高管告诉作者,国家能源局成立时,中国核电专家“不知道它的职责是什么”,因为其他机构,尤其是国家发改委,负责项目许可审批和电力定价等重要事项。最终,国家能源局承担了国家发改委此前的核规划任务。2017年7月北京市政府官员表示,国家能源局目前负责制定核能规划目标。

37   新能源与核能技术研究所,“核能发展战略”,《2004年中国能源展望》,北京:清华大学出版社,第36页。

38   据一个了解化石燃料开采行业的研究机构称,近年来,中国国家电网以每十天新建一个燃煤电厂的速度不断扩大:“美国加快关闭燃煤电厂,而中国和日本正在建设能源研究所”,2015年4月23日。http://instituteforenergyresearch.org/analysis/as-u-s-shutters-coal-plants-china-and-japan-are-building-them/。

39   徐晓杰,《中国能源2020年展望》,中国科学院,https://www.eia.gov/conference/2014/pdf/presentations/xu.pdf。

40   国家环境保护总局/世界银行,《中国污染成本:物质损失的经济估算》(北京:世界银行/国家环境保护总局,2007年2月),http://siteresources.worldbank.org/INTEAPREGTOPENVIRONMENT/Resources/ China_Cost_of_Pollution.pdf。

41   “乏核燃料现状”,澳大利亚核协会,2015年3月,http://www.nuclearaustralia.org.au/wp-content/uploads/2015/04/ANA-Information-Sheet-20150331-Spent-Nuclear- Fuel1.pdf。

42   Christophe Poinssot,Bernard Boullis,Stephane Bourg,“回收在先进核燃料循环中的作用”,《乏核燃料的再加工与再循环》,罗宾·泰勒编。(英国剑桥:伍德海德出版社/爱思维叶出版社,2015年),第35页。

43   同上。特别是,由于德国实施逐步淘汰核能的政策,加上福岛核电站后日本大多数核电站自2011年以来无限期停工,预计到2020年,全球乏燃料后处理的数量将会下降。

44   “燃料循环不同阶段产生的物质和核废物管理的透明度的建议,”核安全透明度和信息高级委员会,2010年7月,http://www.hctisn.fr/IMG/pdf/hctisn_rapport_cycle_cle31BE65.pdf。

45   “国家高新技术研究发展计划(‘863’计划)”,中国科技部,http://www.most.gov.cn/eng/programmes1/。

46   D. Zhang,《第四代核反应堆手册》中的“第四代的概念:中国”,Igor Pioro编,英国剑桥:伍德海德出版社,2016年),第373-408页.

47   姜云清等,“中国核电厂乏燃料后处理的准备”,《核电性能与安全》,第5卷:《核燃料循环》(维也纳:国际原子能机构,1987年),第639期,http://www.iaea.org/inis/collection/NCLCollectionStore/_Public/20/037/20037987.pdf?r=1。

48   同上,第640页。

49   作者与西方政府和中国行业官员的谈话,北京,2005年;马克·希布斯,“中国的钚分离计划至少比预定计划推迟三年”,核燃料,2000年5月1日,第3页。

50   马克·希布斯,“中国增殖反应堆临界延迟至2008年”,《原子核物理周刊》,2005年8月18日,第6页。

51   作者与中国核燃料循环专家的谈话,2011年,2015年和2016年。

52   同上;张天祥等,“中国核电反应堆乏燃料后处理装置的主动调试流程”,《中国科学》,第56卷,第23期(2011年8月):第2页,411–15。

53   叶国安、闫泰红,“中国闭式核燃料循环的发展”,《乏燃料后处理与回收》,北京:清华大学出版社,2004年;泰勒编。534–5;张,等,“主动调试流程。”

54   参见:例如刘学刚,“中国核能发展与乏燃料管理规划”,NAPSNet专题报告,2012年10月16日,http://nautilus.org/napsnet/napsnet-special- reports/chinas-nuclear-energy-development-and-spent-fuel-management-plans/;周云,“中国乏燃料管理:当前实践与未来策略”,美国马里兰大学公共政策学院国际安全研究中心,2011年3月,https://www.files.ethz.ch/isn/127378/china_spent_fuel_management_and_reprocessing_draftfeb_2011.pdf。

55   “核电计划中的钚分离”,国际易裂变材料小组,2011年,http://fissilematerials.org/library/rr14.pdf,第19–29页;1988年,有消息说,根据俄罗斯公布的资料,未来的核电厂的乏燃料产量为100千克/天:Jason Puckett,《中华人民共和国核电厂状况》,美国能源部,1991年,http://www.osti.gov/scitech/servlets/purl/5823192。 56       作者与中国和外国专家的谈话记录,2015年和2016年。

57   2015年,中国报道2014年的民用分离钚库存增加了约11千克;2015年回收钚没有增加:《中国关于钚管理政策的来函》,国际原子能机构,2016年9月19日,https://www.iaea.org/sites/default/files/infcirc549a7-15.pdf;《中国关于钚管理政策的来函》,国际原子能机构,2015年8月28日,https://www.iaea.org/sites/default/files/infcirc549a7-14.pdf。

58   姜云清等,“中国核电厂乏燃料后处理的准备”,第641页。

59   徐銤,“中国快堆技术的发展、现状与展望”,《工程科学》,2007年7月18日;徐銤,“中国快堆技术发展现状”,国际原子能机构快堆技术工作组第三十五届年会,2002年4月22-26日,http://www.iaea.org/inis/collection/NCLCollectionStore/_Public/33/046/33046593.pdf; 徐銤,“可持续供应核电的中国快堆技术的发展”(中国国际核研讨会,2010年11月23-25日,北京),《新气候》https://bravenewclimate.files.wordpress.com/2011/11/fast-reactors-xu.pdf

60   Rahul Tongia,V.S. Arunachalam,“印度的核增殖堆:技术、可行性和技术选择”,卡内基梅隆大学,1997年12月15日,http://www.contrib.andrew.cmu.edu/~tongia/breeder_Report.pdf

61   新华社,“中国核电取得进展”,《中国日报》,2012年10月31日,http://usa.chinadaily.com.cn/china/2012-10/31/content_15862248.htm

62   张东辉,“中国快堆发展战略”(国际快堆及相关燃料循环大会,巴黎,2013年1月25日),国际原子能机构,https://www.iaea.org/NuclearPower/ Downloadable/Meetings/2013/2013-03-04-03-07-CF-NPTD/5.zhang.pdf。