核废物处置战略和加速器驱动次临界嬗变系统(ADS)研究

清华大学2011年7月14日核废物处置战略和加速器驱动次临界嬗变系统(ADS)研究展望赵志祥中国原子能科学研究院动因：确保能源的稳定供应是可持续发展战略的重要环节我国能源安全面临的两大挑战能源需求与资源不足之间的矛盾能源结构不合理人均能源消费量与人均GDP的相关性:人均GDP达到1万美圆人均能源消费量为4吨标煤●到2020年能源需求量：25-33亿吨标煤电力发展预测：860-950GWe●到2050年能源需求量约为50亿吨标煤未来能源需求预测引自:国家发改委能源所分析报告能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾●目前世界能源总消耗量：134亿吨标煤●2002年我国一次能源产量：13.87亿吨标煤(世界第二)●2002年我国一次能源消费量：14.8亿吨标煤(世界第二)●2002年我国发电装机容量：357GW(世界第二)能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾引自:国家中长期科技发展规划战略研究报告我国人均值与美国与世界人均值比较平均值比较石油2.6t1/51/9天然气1074m31/161/23煤炭90t1/101/2能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾●煤炭:探明储量:10018.7亿吨可开采量:1600亿吨90%集中在秦岭、大别山地区能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾化石资源是非常有限的，在化石能源的开采使用方面不能再竭泽而渔！●石油:总资源量:940亿吨可开采量:56亿吨,最高年产量:3亿吨到2020年需求量:4.5-6亿吨●天然气:总资源量:38Tm3可开采量:1.5Tm3最高年产量:0.1Tm3到2020年需求量:0.16-0.2Tm3能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾不可能大量用于发电依赖进口石油、天然气的能源安全问题油、气产地局势动荡中东地区的石油供应受美国操控漫长的海上输油线路难有安全保障引发与日韩等石油进口国的激烈竞争能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾●水能:理论蕴藏量:767GW,技术可开发:379GW68%集中在西南地区极限装机容量:240～260GW能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾三峡水电站能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾塔克拉玛干大沙漠中的2MW太阳能电站●太阳能：能量密度低，稳定性差，成本高10亿吨标煤的能量：占地～10万km2，～20亿吨钢铁水泥容量因子≤15%，光伏电池组件4000美元/kW●风能：最古老的能源之一能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾总储量16亿千瓦可经济开发100万千瓦能量密度低1GW电厂占地：∽100km2供能的间歇性容量因子≤30%内蒙古磴口县风力发电站能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾森林的生态价值是木材的经济价值的十倍我国森林过度砍伐，造成的土地沙漠化和水土流失严重大兴安岭亮资源红灯，16年后将无木可采●生物质能（薪碳）再生速度远远不能满足需要其它可再生能源：潮汐发电：可经济开发1000万千瓦1985年建成浙江江厦电站,0.32万千瓦地热发电：到88年地热利用折合38万千瓦海洋能(温差发电,波浪发电等):理论储量4.6亿千瓦,开发难度极大从资源的层面看,可以大规模替代化石能源的只有核能能源安全面临的两大挑战：能源需求与资源不足的矛盾世界中国化石85%93%石油39%17%煤炭24%74%天然气22%2%水力6.9%5%核能6.3%1%其它2.5%0.6%能源安全面临的两大挑战：能源结构不合理燃煤在能源结构中占支配地位CO2排放总量CO2排放量人均年用电量单位电量CO2排放量等效煤耗核电装机总装机比人均核电装机人均核电装机比CO2排放量国家百万吨吨kWhkg/kWhkg/kWh%kWhkWe/吨美国5228.3219.88110601.80.7621.980.3760.0187中国3006.772.517603.31.41.490.00180.0007俄国1546.8910.4458601.3711.390.1340.0128日本1150.949.1767001.8130.70.310.0338德国884.4110.8360001.8429.330.2770.0256英国564.849.6452501.8425.790.20.0207加拿大470.815.9180200.8819,070.5320.0334法国362.026.2378100.80.3475.291.0070.1616韩国352.17.8735202.440.9535.480.1830.0233能源安全面临的两大挑战：能源结构不合理中国原子能科学研究院温室气体问题年份CO2排放量，亿吨1972160199021619962302000250中国原子能科学研究院中国原子能科学研究院各类电厂的投资费用与建设周期1000-1300核电1500~200015~2014~61020304050世界人口，亿0500100015002000250300350400大气层二氧化碳浓度ppm年代工业革命以来CO2浓度：自260ppm上升至爱280ppm100年内：地球大气温度上升0.3–0.60C海平面上升10–25cm燃煤带来的问题：排放大量温室气体CO2排放总量人均年用电量（百万吨）（kWh）美国5228.3211060中国3006.77760俄国1546.895860日本1150.946700德国884.416000英国564.845250加拿大470.818020法国362.027810韩国352.13520燃煤带来的问题燃煤带来的问题排放粉尘等气体气象条件不好的情况下，发生象“伦敦杀人雾事件”那样的重大环境污染事故的可能性是存在的。全球大气污染最严重的10个城市：1，太原6，兰州2，米兰7，重庆3，北京8，济南4，乌鲁木齐9，石家庄5，墨西哥城10，德黑兰北京烟雾日:1950年45天1970年100天1980年200天1997年265天2011年？燃煤带来的问题燃煤带来的问题排放SO2等酸雨气体酸雨区覆盖我国30%以上的国土面积运输能力的巨大压力目前煤炭运输已经占铁路运力的50%以上超载运煤车成为公路的第一杀手本世纪初东部大型煤矿将逐渐枯竭煤炭生产向山西及陕西神木地区转移运输距离大大增加燃煤带来的问题2010年8月,京藏公路连续堵车20天燃煤带来的问题堵车催生了“堵车经济”燃煤带来的问题考虑资源和环境等因素，我国必须大力推进核电发展，提高核电在新增电力中的比例，改善能源结构，这是确保我国能源安全的唯一现实的选择。动因：核能在我国能源安全中的地位按照国家中长期发展规划到2020年，新增核电40GWe，在建18GWe核电装机容量的比例为4%预计到2050年核电将达到240GW的规模核电装机容量的比例为20%动因：我国核能发展前景预测动因：我国核能发展前景预测非化石能源所占的比重2010年8.3%2015年11.4%《十二五计划》动因核能发展前景预测福岛事件对世界核能发展的影响宣布弃核的国家：德国：德国政府执政三党5月29日夜经过长时间的讨论，决定德国所有核电站在2022年前全部关闭。这使德国成为首个宣布彻底放弃核电的主要经济大国。瑞士：现有5座核电站将于2019年至2034年陆续达到最高使用年限。之后，瑞士将不再重建或更新核电站。这意味着2034年之前，瑞士最后一座核电站将关闭。意大利：两天的全民公投结果显示，由于民众的反对，政府将全面放弃核能，取消原定在国内新建核电站的计划。动因核能发展前景预测继续推进核能的国家美国：奥巴马政府在2012年的财政预算中计划批准360亿美元贷款担保用来兴建核电站。福岛核泄漏事故发生后，奥巴马表示，新核电站的建设仍将按计划进行。俄罗斯：不会修改本国的核能政策，继续推进新建10座核反应堆的计划。梅德韦杰夫：在日本福岛第一核电站事故发生后，俄罗斯将以更高的安全标准，推进核电站的新建计划。动因核能发展前景预测继续推进核能的国家法国：法国执政党和主要在野党目前一致认为目前“走出核电”是不现实的。萨科齐表示：“为了保障能源的安全性，确保竞争力，同时也为了稳定电费，法国将继续使用核能发电。”英国：英国政府已经确定了8座新核电站的具体修建地点，并且表示这一决定是对福岛核泄事故“理性且恰当”的反应，是基于事实作出的。福岛事件对中国核电发展的影响大力发展核电的决心不会改变发展核电的节奏将重新调整会更加重视核电的安全核电站的标准、选址等方面将更加严格动因：我国核能发展前景预测“我们中国发展核能、发展核电的决心不能动摇，当然我们要吸取福岛事故的教训，作好安全检查，调整我们的规划。”“我国核电发展要符合我国的国情和需要，要把握好发展的节奏。”“注意核电发展节奏和速度不能超过我国设计制造能力。安全保障能力和人才队伍的状况。”国务院副总理张德江，2011年４月１４日，原子能院动因：我国核能可持续发展尚待解决的两大问题铀资源的充分利用问题实现2050年核电240GWe装机容量的目标需要258万吨天然铀资源!进口天然铀进行战略储备是应该的但作为关系到国家安全的能源产业不可能建立在资源依赖进口的基础上。100万千瓦的压水堆电站每年卸出乏燃料约25吨次锕系核素MA和长寿命裂变产物LLFP寿命长、放射毒性大，对人类环境构成长期危害铀23.75t钚200kg中短寿命FP1tMA20kgLLFP30kg动因：我国核能可持续发展尚待解决的两大问题乏燃料中的长寿命核素核素半衰期，年剂量因子，Sv/Bq核素半衰期，年剂量因子，Sv/Bq235-U7.031084.610-8242m-Am1521.910-7238-U4.461094.410-8243-Am73802.010-7238-Pu87.74.910-8242-Cm163天1.310-8239-Pu241102.510-7243-Cm28.52.010-7240-Pu5502.510-7244-Cm18.11.610-7241-Pu14.44.710-999-Tc2.11057.810-10242-Pu3.71052.410-7129-I1.571071.110-7237-Np2.141061.110-7135-Cs2.31062.010-9241-Am432.62.010-7动因：我国核能可持续发展尚待解决的两大问题我国乏燃料累积存量预测2020年：6000～10000t2030年：20000～25000t其中钚160～200t次锕系核素（MAs）16-20t长寿命裂变产物（LLFPs）24-30t如何以妥善处理处置我国核电运行过程中产生的高放废物，实现核废物最少化，保证我国核能的可持续发展，是一个必须解决的重大问题动因：我国核能可持续发展尚待解决的两大问题“一次通过”循环方式是指乏燃料经过适当包装和储存之后，直接进行地质处置（美国，瑞典等）铀资源利用率低产生的废物量大将乏燃料中大量有用的资源与少量的废物一起直接处置，大大增加废物处置的体积和放射毒性废物所需安全处置的时间长在处置过程中衰变到低于天然铀矿的放射性水平，需要10万年以上。在如此长的时间尺度里，如何确保这些放射性核素与生物圈隔离，存在很大的不确定性“一次通过”方式资源浪费，对人类环境安全的长期威胁极大，不符合核能可持续发展战略动因：乏燃料管理一次通过循环美国尤卡山地质处置场设计容量约7万吨积累乏燃料已达5万吨，每年新增2000吨“一次通过”循环方式的积极鼓吹者美国：近年来其核燃料循环政策发生了根本性逆转计划到2030年新增345GWe核电GNEP：恢复包括后处理和快堆在内的核燃料闭式循环方案使需要地质处置的高放废物体积降低50倍左右动因：乏燃料管理一次通过循环动因：乏燃料管理的P&T战略闭式燃料循环方式：分离-嬗变战略分离－嬗变战略并不能消除地质储存的必要性，但使得地质储存在技术上更加容易、更加安全、更加经济减少场址的有