书城科普读物求知文库-能源的形势与现状
44926100000004

第4章 各具特色的能源(2)

另一特点是在山区所建水电站,地下厂房很多。全国大小水电站约600座中,有200座的发电厂房设在地下,开挖隧道总长度达3000公里。工程较艰巨,但较经济,工期较短。

挪威的水电站,国有的占29.1%,市镇所有的占51.5%,工厂自备和私营的占19.4%。所有水电站都自愿联入地区电网。纵贯全国南北长达1700公里的全国电网,将中部的国有水电站与南方和北方的地区电网相连,进行统一调度。国家电力局所建输电设施占90%。挪威的电网还与邻国相连,相互补充,出入相抵输出较多。

挪威水能资源的理论蕴藏量为5000亿千瓦时/年,技术可开发1700亿千瓦时/年,经济可开发1250亿千瓦时/年。现已开发1083亿千瓦时/年,还有一定资源可供开发。目前主要对早期所建老水电站进行现代化改造,扩建或重建。

日本有78%水能资源得到利用

1991年底,日本水电装机容量3912万千瓦,其中常规水电2091万千瓦,抽水蓄能1821万千瓦。常规水电年发电量892亿千瓦时,占经济可开发水能资源1143亿千瓦时的78%。

日本所建大型水电站(单站装机大于25万千瓦)包括常规水电和抽水蓄能电站共30座,合计装机1878万千瓦,占全部水电装机的48%。

其中已建大型抽水蓄能电站24座,共装机1684万千瓦,最大的是新高濑川电站,为128万千瓦。

日本所建中小型水电站比较多,共有1700多座,合计2034万千瓦,占水电装机的52%。

本世纪初,日本水电装机将达4450万千瓦,其中常规水电2150万千瓦,抽水蓄能2300万千瓦,2010年的水电装机拟达5170万千瓦,其中常规水电2500万千瓦,抽水蓄能2670万千瓦。计划中两个10年的水电装机平均年增长率分别为1.6%和1.5%。

中国水能资源居世界第一位

我国的水能资源理论蕴藏量有6.78亿千瓦,年发电量5.92万亿千瓦时,居世界第一位,有美好的开发前景。

到1991年,我国已开发水电装机容量3788万千瓦,年发电量1248亿千瓦时,占经济可开发水电发电量的9.9%。2000年我国水电总装机容量已达9000万千瓦;2000-2020年再增加9000万千瓦,到2020年累计达1.8亿千瓦;2020-2050年再开发1.1亿千瓦,将我国经济可开发水能资源全部开发出来,达到2.9亿千瓦。到那时,我国的水电发电量将雄踞世界首位。

我国水电开发采取大、中、小并举的方针,重点开发黄河上游、长江中下游和红水河、澜沧江等。已建成的规模达100万千瓦以上的有二滩、岩滩、李家峡、澋湾、五强溪等10座水电站。

1993年在国家压缩基建规模对投资结构进行宏观调控的情况下,天荒坪抽水蓄能电站(180万千瓦)和松江河梯级电站(51万千瓦)列为正式开工项目。1994年电力部建议新开工的项目有八项(在广西红水河的龙滩、百龙滩,云南澜沧江,广东广州,吉林松花江丰满,湖北清江高坝洲,甘肃黄河小峡,安徽淠河响洪旬),共计装机容量778.4万千瓦。

此外,还有四项(在湖南沅江凌津滩,福建汀江棉花滩,贵州乌江大冲河洪家渡,四川大渡河支流南桠河)涉及外资(亚洲开发银行)的工程项目。

青海省还采取多方集资,走股份化道路来开发黄河上游水电资源。“尼直康”有限责任公司在西宁召开发起人会议。将由国家能源投资公司、中国华水水电开发总公司黄河水电工程公司、西北电力集团、西北勘测设计院和青海省共同投资23.3亿元,建设“尼直康”三座(即尼那、直岗拉卡、康扬)中型水电站就是一例。合计装机容量47万千瓦,年发电量20.5亿千瓦时。

黄河上游龙(羊峡)、青(铜峡)段,据西北勘测设计研究院1993年补充规划梯级水电站24-25座,总装机容量1608万千瓦,年发电量588亿千瓦时。其中已建龙羊峡(128万千瓦)、刘家峡(116万千瓦,拟增容至130万千瓦)、盐锅峡(39.6万千瓦)、八盘峡(18万千瓦,拟扩建至25.2万千瓦)、青铜峡(27.2万千瓦)等五级。

国家能源投资公司,甘肃省与加拿大合作开发大峡(32.5万千瓦)、小峡(23万千瓦)、乌金峡(15万千瓦),再加上青海拟集资开发“尼直康”3座,合计12座水电站,总装机容量达667万千瓦,年发电量267亿千瓦时,占黄河上游梯级规划发电能力的41%和45%。黄河上游洪枯调节良好的梯级水电站,在西北电网中发挥了重大作用。

长江三峡工程是特大型水利、水电工程,具有防洪、发电、航运、供水及发展旅游的综合效益。

三峡工程共安装单机容量68万千瓦的机组26台,总装机容量1768万千瓦,年发电量840亿千瓦时,相当于6.5个已建成的葛洲坝水电站(271.5万千瓦),或相当于每年节省5000万吨火电用煤,还可节省1600公里运输线路。与相同的燃煤火电站相比,每年可少排放1亿多吨二氧化碳、200万吨二氧化硫、37万吨氮氧化物,以及大量废渣、废水。

三峡工程将于2008年全部建成,届时将分别向华东和华中输送600-800万千瓦电力,它对于这两个地区能源平衡将起到重要作用。这两个地区是我国经济发达地区,随着经济的高速发展,对电力要求也迅速增长,三峡工程的建成在开发长江经济带中将起巨大的推动作用。

三峡水电工程建成之后,华东电网与华中电网实行联合运行,有巨大的错峰效益。因为华东、华中两电网最大负荷出现有季节的差异,华东电网的最大负荷出现在每年的6-8月,而华中电网的最大负荷出现在11-12月。华东、华中两电网能源结构不同,华中电网水电比重大,汛期有大量季节性电能,联网后可将部分季节性电能转化为华东电网夏季季节性负荷所需的电力,提高华东电网火电机组检修备用容量。将来全国大电网形成后,可实现跨流域水电丰枯季节互补。统一电网有着巨大的经济效益和社会效益。

能源世界的“巨人”——核能

核能俗称原子能,它是指原子核里的核子(中子或质子)重新分配和组合时释放出来的能量。核能分为两类,一类叫核裂变能,它是指重元素(铀或钚等)的原子核发生裂变时释放出来的能量。另一类叫聚变能,它是指轻元素(氘和氚)的原子核在发生聚变反应时释放出来的能量。

核能有巨大的威力,1公斤铀原子核全部裂变释放出的能量,约等于2700吨标准煤燃烧时所放出的化学能。一座100万千瓦的核电站,每年只需25-30吨低浓度铀核燃料,而相同功率的煤电站,每年则需要有300多万吨原煤,这些核燃料只需10辆卡车就能运到现场,而运输300多万吨煤炭,则需要1000列火车。核聚变反应释放的能量更可贵。有人做过生动的比喻:1公斤煤只能使一列火车开动8米,1公斤铀可使一列火车开动4万公里;而1公斤氚化锂和氘比锂的混合物,可使一列火车从地球开到月球,行程40万公里。

地球上蕴藏着数量可观的铀、钍等核裂变资源,如果把它们的裂变能充分地利用起来,可满足人类上千年的能源需求。

在汪洋大海里,蕴藏着20万亿吨氘,它们的聚变能可顶几万亿亿吨煤,可满足人类百亿年的能源需求。

核能是人类最终解决能源问题的希望。核能技术的开发,对现代社会会产生深远的影响。

核裂变能

核能的成就虽然首先被应用于军事目的,但其后就实现了核能的和平利用,其中最重要也是最主要的是通过核电站来发电。

核电站已跻身于电力工业行列,是利用原子核裂变反应放出的核能来发电的装置,通过核反应堆实现核能与热能的转换。核反应堆的种类,按引起裂变的中子能量分为热中子反应堆和快中子反应堆。由于热中子更容易引起铀235的裂变,因此热中子反应堆比较容易控制,这种反应堆需用慢化剂,通过它的原子核与快中子弹性碰撞,将快中子慢化成热中子。

早在20世纪50年代初,人类开始开发利用核能,诞生了核电站。经过30多年的发展,核电已是世界公认的经济实惠、安全可靠的能源。

截至1993年12月31日,全世界已有34个国家或地区的422座(堆)核电站正在运行,总装机容量为3.56235亿千瓦;正在建造的核电站有61座(堆),总装机容量为5586.6万千瓦。全世界1993年全年核发电总量为21817679GWh,核发电量占世界总发电量的17%以上。

核能是能源的重要发展方向,特别在世界能源结构从石油为主向非油能源过渡的时期,核能、煤炭和节能被认为是解决能源危机的主要希望。为此,各国都在大力发展核电。

然而特别令人担心的是根据目前探明的有经济开采价值的铀矿储量,如果继续按现有速度建造眼下的热中子堆核电站,由于它只能利用铀资源的1%-2%,则要不了50年,经济可采的铀矿也会耗尽。如果到那时,还不能脱离核裂变能利用的初级阶段,人类将可能面临新的能源危机。

在能源新挑战面前,核科学家早已在寻找应战的武器,这就是已经过40多年研究开发的快中子增殖堆(简称快堆)核电站。有了它,相当于把铀资源的利用率提高了50-60倍,那样能源的供应将出现新的奇迹,在今后上千年内,人类完全可以靠快堆发电,保证有富足的能源可用。

快堆的最显著的特点是直接靠核裂变产生的快速飞行的中子来维持链式裂变反应。它以239钚作燃料,“炉膛”里不设慢化剂,只有冷却剂(钠或氦)。在快堆中,每“烧掉”一个239钚原子,能够使238铀吸收中子后新生产出1.4个239钚原子,这样在快堆中就出现了神话般的奇迹——核燃料越“烧”越多。这就是所谓的核燃料的增殖过程。

快堆开动起来之后,会不断地有238铀吸收中子变成239钚,经过一段时间后(例如15-20年),人们可以从“烧”过的核燃料“灰烬”中,提取出足以装备与自身功率一样大的新堆所需要的钚燃料,在此期间,快堆电站只要继续添加热堆中不能作燃料的238铀贫料,而所得的电能却比热堆核电站还要多。人们把快堆誉为能发电的“核燃料生产厂”。

快堆实际上是核电站家族中资格最老的成员。早在1951年8月,美国建成了世界上第一座实验快堆,而且成功地作了发电试验。虽然当时它的电功率只有200千瓦。可它却是世界上最先问世的快堆核电站。

30多年来,一些工业发达的国家(如美、英、法、前苏联、日本和德国),投入大量人力、物力,耗资几十亿美元来发展快堆。目前,全世界总共有21座快堆。其中在运行的有13座,正在建造的有4座,计划建造的有7座。原型快堆已经成功地运行了十年多,已经证明快堆在技术上是可以实现的,增殖核燃料也是可能的(凤凰快堆的增殖比为1∶15)。现在电功率为120万千瓦的大型商业验证快堆正在法国运行。快堆技术已经走出了实验室的大门,正走向工业化应用的康庄大道。

各国普遍认为,快堆是发电堆的最终归宿,特别是在受控核聚变难以在今后相当长时期内工业推广的情况下,快堆发电更是重要。

但需要指出的是,快堆技术至今尚未成熟,重要原因是快堆技术本身要比热堆复杂得多,尚有不少技术关键问题需要攻克。此外,快堆的建造费用要比热堆大得多,现在快堆的造价要比同规模的热堆贵2-3倍。有人估计,当快堆的单堆功率超过200万千瓦时,经济上可能与热堆媲美。本世纪初,人们一定能建造出这样的大型快堆,那时快堆电站将会在全世界推广应用。发展快堆进展最快的法国,本世纪初,已开始推广快堆电站工业,因此天然铀的需要量将逐步下降,从而减轻了进口能源所造成的压力。快堆必将是从热堆核电站向核聚变电站过渡的桥梁。

核聚变能

人类将最终解决能源需求的希望,寄托在受控核聚变的实现和推广上。核聚变能是利用氢原子核(如氘-氘或氘-氚)在极高温度(几千万度或上亿度)下聚合成较重的原子核(如氦)过程中释放出来的巨大的能量。核聚变的主要燃料是氘,可以比较容易地从海水中提取到。据推算,每升海水中所含的氘若完全“燃烧”,可产生相当于300升汽油的能量。海水中至少含有35万亿吨氘,可以供全世界享用百亿年以上。更为可贵的是核聚变反应中几乎不存在放射性污染,而且核聚变反应堆在任何时刻都只有一丁点的氘在聚变,所以不存在失控所带来的危险。聚变能是名副其实的理想、干净的能源。但是,要使核聚变能顺从地在人为控制下为人类服务却是一件十分困难的事。为了驯服核聚变能,从20世纪50年代初开始,科学家们就热心地进行受控核聚变的研究。

全世界已有40多个国家在进行受控核聚变的研究,它们投入了大量人力和物力,建造了几百个实验装置,从事研究的科学人员约有12000多人。目前,全世界每年用于核聚变研究的费用已超过20亿美元。

经过几十年的艰苦努力,受控核聚变为什么进展如此缓慢呢?主要是因为实现受控核聚变的条件非常苛刻。首先,我们无法同时造成太阳中心那样高的等离子体密度和极高的温度,只有追求比太阳中心更高的温度来解决问题。理论研究表明,氘核的聚变点火温度达四亿摄氏度,氘氚混合气体的热核反应也要在五千万摄氏度才能进行。要创造这样的环境在技术上是困难重重的。随着新技术的开发利用,人们试用电流、激光等方法来加热气体。其次,还要使这样高的温度保持一段时间,等离子体温度越低,数量越少,密度越小,超高温保持时间就越要长。还有,超高温的等离子体,有强烈地向外扩张的特性,必须有极强的磁场来约束住它们,绝对不让它们与四周容器壁接触,否则任何材料也挡不住如此高的温度,顷刻气化,变为乌有。要解决这些重重困难,有待于激光技术、超导技术、新材料技术等崭新技术的飞跃发展。

科学技术的进步,不断地给受控核聚变的研究带来福音,经过了漫长的接力赛跑之后,受控核聚变的研究已经到了关键的时刻。1982年12月24日,美国建成了一座有三层楼高的“托卡马克型”核聚变实验反应堆(TFTR),从设计到建成这座核聚变实验堆总共花了七年时间,耗资3亿多美元。设计这座反应堆的目的是为了实现输出能量等于输入能量,以便证明实现受控核聚变的可能性。