爱华网2009年10月30日，由中国南方电网、中国国电集团和《能源》杂志社共同主办的“2009(首届)中国能源企业高层论坛”在北京召开。新浪财经全程报道本次会议。图为厦门大学能源研究院院长李宁主题演讲。 李宁：大家下午好！ 今天的报告这样子一个结构，首先给大家提出一个能源结构的物理分类，科学的分析核能相对于其他的能源地位，然后针对核能发展中受到的主要制约，向大家介绍一个革命性的系统解决方案，也就是行波式的核电反应堆。这是由微软创始人董事长比尔-盖茨先生投资，及全美先进核能研发基金共同开发的这项技术。我非常荣幸的参与了这项技术，泰拉是盖茨先生在中国的核工业顾问，其投资创建的泰拉能源公司的亚洲发展主任，以及材料与战略发展咨询顾问。 首先我向大家介绍一下能源体系的物理框架。面对纷纭复杂的各种能源以及各种能源的拥护和反对者的声音，以及自身拥有的个性和差异性，我们怎么开展全面客观的观察和分析，而非局限于主观定位，这是一个非常难以解决的问题，是能源工作者和政策规划工作者长期面临的困难。 在我研究行业和观察中还经常碰到这样子的问题，一种能源在某个阶段、某个地区或者某种规模中，表现出很多优势，一旦推广使用，发展瓶颈和弊端开始出现。很多是所谓的关联效应逐步披露，并且往往是负面的。比如大水电对生态系统环境的影响，车油的风波，深层地热造成地震的影响，以及核电发展到一定规模的成本处理问题以及核扩散问题。 基于我的物理教育基础和对各种能源的认知，我意识到需要一个简洁明了的科学框架，并以科学定性来定量分析。我编写整体一个架构，这个架构不单能显示各类能源的出处和关系，还显示重要的物理特性分类。 地球上所有的能源基于两类的物理机制，核能与引力能，核能又分为聚变能和裂变能，来自太阳的聚变能在地球上以丰富多彩的形式出现，万物生长靠太阳，生物通过光合作用，将太阳能转化成生物质能，经过千百万年的地下变化，其热化学、生物化学、物理化学等过程，生物质转变成化石燃料，包括煤炭、石油、天然气。太阳能如以光伏形式采集利用，就是现在发展的光点，如以集热的方式所利用，则为现在利用的光热发电。这些是人工直接收集转化运用的模式。 以上这些可以说是聚变能利用的二级应用，或者太阳能在地球上的一级应用。太阳能热的自然转化和最终利用，则带来其他种类的能源，加热与引力相互作用导致水的蒸发、转移、凝结和降落，形成水粒。造成空气的升降、流动，形成风能，排水的升降和流动形成潮汐能、波能和洋流能。这些可以说是太阳能在地球上的二级应用，在这个架构中，每向下一层，能源就被稀释很多，能量密度就会大幅下降。特别是那些依靠引力作用形成的能源形式，如风、水利、风能和潮汐能等，由于引力非常薄弱，因此它们也很分散。 以上这些基于来自太阳能核聚变在地球上的体现，由于其循环周期短，很快被太阳能所恢复，被大家称为可再生能源。 唯一与它们不同的是化石能源，时间与地球的作用，浓缩了这些太阳层，使之成为非常丰富的能源筹备。事实上它们也是可再生的，只是周期对人类来说太远。打个比方来说，化石能源是能源很好的本金，而可再生能源只是利息，人类使用化石能源的根本目的，就是对本金的过度提速，造成能源银行的枯竭及循环周期的破坏。 真正基于地球本身的能源是核裂变能，核裂变能通过地热，使自然的体现；通过人工应用体现，就是我们通常所说的，大家通常说的核能，就是通过核反应堆体现出来的，在绝大多数的情况下，通过反应堆产生蒸汽发电。核能的特征，使它直接来源于这些强烈的核力，能量密度是化学能的百万倍，如果以此打造核的应用体系，显而易见应该是独特的，不同于其他能源。 下面我们来分一下能源的特性。为了在定性的基础上，可以定量比较，我选择了地表能源密度、载体能源密度、总太阳总量和总功率的参数，分别对地表影响的输送难以程度、可用期限。能量密度高，表示使用土地面积小，反之大；能量密度高，表示易于传输，不受地域限制，反之则属于就近利用。总储量或总功率高，表示体系和可使用期限长；量大，值得大力开发利用，反之则不值得投入利用。 当然我们应该意识到所谓难以、长短、大小等都是相对而言。在不同地区不同阶段，根据不同条件跟假设，可以得出不同的结论。我们现在就全球特征来比较各类能源的以上参数，全球特征考虑可以帮助地面区域性的狭隘思维和判断，特别是防止简单的区域影响。比如说像在中国太阳能的生产，就是把能耗和污染留在中国，把绿色输向欧美等国家这样一种情况。 首先我们来考虑地表的能流密度。在能源种类选择上，我选择了煤、油、铀、太阳能、水利、生物质能、地热、风能、潮汐能等。这个表格数轴上面每一格两个数量级一百倍的差别。我们明显看到，煤矿和铀矿的能源密度极高，太阳能次之，然后是大水电，生物质能、风能、潮汐能。举例来说，平均风能、地表能密度是太阳能的数百万分之一，煤矿、铀矿的百万分之一，潮汐能的十几倍。当然在风上，经过地表的集中浓缩，可以讲其能流密度提高数倍、十几倍，但煤和铀的差别仍然是巨大的。 从这个图表大家不难发现，在没有看到本金透支的后果之前，人类对煤的开发应用是非常理智的，因为它占有的地表面积是最小的。煤替代生物质能的应用，开启了工业化的进程，而风能等趋势分散能力重新崛起，是基于技术的发展。技术能否克服这些固有特性的巨大差异，就是我们搞科研发展的重大关注。但有一点是可以肯定的，低密度能源大规模使用，一定会占用给更多的土地资源。在很多情况下，大规模开发利用产生不可预期的效应，如果考虑到生态系统是自然界长期发展出来的微妙系统，则急需其驱动能源为人所用，即使是小量的，亦可能产生气候生态的影响。 再来看载体能量密度的分析。在这个图表中，铀作为核能载体，其能源米粮远高于化学能的载体，化学能远高于水能、风能。如此之高的能量密度，应该是核能应用体系的基础设施可以不同于化学能源，然而现状是核能被套入既有的化学能源体系和设施。如何看待解决这个问题已经超出今天讨论的范围。而低密度的太阳能、水能、风能等，如需大规模采集，则必须通过转换成可输送的电力使用。 从探明的总储量来看，煤、油、气都是百年量级，而铀是千年级的。由此可见，解决核能大规模的应用的问题是非常值得研究的，从发达国家的经验来看，大力开发核电虽然造成一些问题，但总体效益非常之多，其优势在今天显得更为明显。解决其建造成本高、资源利用率低、废物处置以及核扩散问题也显得更迫切。 顺带提一点，从可再生能的等级和总功率图表来看，直接对太阳能使用应该用于间接的采集和应用，相对可能产生的环境与资源影响应该比较低。 当前能源界面临的挑战，除了持续充足供应快餐发展，增长需求难以改进，能源需求对气候的影响日益严峻，低碳经济成为新能源发展的方向。随着金融危机造成的经济发展的倒退，新能源发展成为全世界公认的新经济增长点。 以史为鉴，我们看一下这个图表，我们发现世界能源低碳化的促进上，持续的行走了百多年，是个燃料比例不断优化的过程。图显示的是煤GC/MJ使用的炭能，这边表示的是煤、油、气等等的比例。大家可以看到，人类主导的初级能源，基本上是炭能到碳氢，基本相当于液体油，再到以氢为主，碳氢的气，相对应的是交通运输等领域和电力。以此延伸到未来，低碳甚至无碳的能源将逐渐成为人类的主要能源，并相应的清晰产业结构。 大家知道国民经济的发展和生活水平的提高，基本上与能源使用成正比。纵观世界各国的发展历史，我们从炭排量和人均能耗中可以清晰的看到各个国家发展的路径，以煤、石油和气的路线图一样。其中比较突出的是法国，法国的电力78%来自核电，法国能够大幅度增加人均能耗和生活水准，但保持炭排放无增长，可以说是低碳的范例。另外值得一提的是巴西，巴西由于对生物质能大力开发应用，也走在低碳经济的前列，但其效益远远不及法国。
根据对不同能源的生产使用和终结处理的全周期风险，我们可以从图表中看到，核能的温室气体排放量在所有能源中是最低的，甚至低于风电、水电、生物质能和光伏太阳能，核电是目前世界上最大的无排放电力能源。 前面提到核能在大规模发展过程中，也遇到了很多问题和挑战，从2000年到2002年，我全程参与了美国能源部核电发展路线规划与美国和其他几国近百位专家多次进行专题研讨和协商，最终形成规划和各国开发项目。中国已经签约参与了此次项目，积极开展国际合作，开发新进核能技术的使用。非常突出并坚持中国试验反应堆示范性的建设，我国目前在建的反应堆大多属于II或III+，正在引进建设的美国法国正在引进建设的美国石油AP1000属于III或III+。 由于核能需要浓缩或天然铀燃料和通过蒸汽升级物燃料，因此核能的规模发展会受到资源浓缩产能和燃料循环发展的制约。反过来说，核能的扩容会对技术创新增加诉求。现行的一次性开放式和燃料循环性，可以在核能扩大不大的短期和中期满足需求，一旦核能大规模扩容就不现实，从资源利用、废物处理等角度，都需要闭路式的循环系统及相应的反应堆，使用混合燃料的先进系统堆，中小形反应堆、高温气体堆等等。 这些图表是来自正在开发中，国际原子能组织的世界核能容量发展情景分析图。 接下来介绍一下我们正在开发的行波式核反应堆的概念。行波堆不同于现有商业化的堆，通过对抑制堆芯燃料的分布和运行，核燃料可以从一端负级启动点燃，裂变产生的多余种子将周围不能裂变的U-238转化成Np-239，当达到一定浓度之后，形成裂变反应，同时开始焚烧在原位生成的燃料，形成行波。行波以增殖波先行焚烧波后续，一次性装量可以连续运行数十年甚至上百年。为维持运行，堆芯燃料部分保持常规的大小质量，按正常方式通过核能，将热量带出堆芯，产生蒸汽，其余部分为烧尽或待增殖的燃料。除最初的启动源需要浓缩铀，其他所有燃烧都可以来自天然的材料或清水的发电。因此不需要分离浓缩。形象的说，行波堆像蜡烛，用火柴点燃后逐渐烧尽，并可以点燃其他蜡烛。在实际工程化过程中，行波堆选择可以使用定期移动燃料，增殖焚烧波的空间固定处理。 行波堆工业体系无需大规模进行燃料，并可逐步减少铀浓缩的产品，极大减少了复杂、昂贵的燃料体系。这个是燃料很多的步骤，从铀的开采，转化，浓缩，终端处理，多个步骤。 通过使用行波堆，可以极大的简化减少其中许多步骤，可以逐步的降低负极的产能以及复杂昂贵的燃料体系。所以行波堆的路线不仅可以提前进入核能大规模可持续发展，同时还极大降低了核扩散的风险。像铀的浓缩和燃料的后续，是核扩散风险最大的环节。 因此，和其他核的体系相比，行波堆更有可能获得大多数国家包括美国的支持，在世界范围广泛开展真正体现核能作为煤、油、气等化石燃料，具有清洁、无碳排放的燃料。 行波堆可以持续数十年不换料，将现有的沉重废物负担转化成巨大的经济价值。据估算，美国现存的70万吨可产生100万亿的电供本国使用。中国的铀、天然铀和清水在核能发展构建上，有可能避免铀数十年历史复杂昂贵和核扩散的漫长路径，主动进入更为先进的时代，最大保护国家、人类、环境利益跨越式创新。 开发泰拉能源分析国际合作对象的会议中，盖茨、约翰等公司高管详细分析了中国的核发展状况和规划，重要研究核能的研发单位和核电成本，非常推崇中国率先发展核能取得的丰富成果。因此盖茨先生决定首先到中国来推广这个行波反应堆先进技术。盖茨先生下月初，将与公司的高管和领导受国家核电技术公司项目的邀请，来中国拜访国家能源局和各大能源集团探讨合作。 总结起来，行波堆的技术可以概括为核燃料一次性增殖焚烧，是一个理想状态的先进的东西，是有可持续、防核扩散、安全性和高经济性，行波堆可将铀资源利用提高近百倍，废物量减少数十倍，把一个百年的资源提升为数千年的技术。 这是一个世界核电和核能发展的分布图，我们希望未来核能大发展，传遍中国，遍布全球。谢谢大家！
