中国核电的发展历史(美国核电发展历史)
974年3月31日下午，人民大会堂新疆厅，一位来自上海核工程设计研究院的技术人员跪在一米多高的有机玻璃模型旁，向总理详细解释核电站的设计方案。
让这位技术人员没想到的是，总理在听完汇报后，问出了两个极为专业的问题：“高放乏核燃料你们打算怎么处理？”以及核电站废水的处理方案。
的确，对于核电站而言，安全是头等大事，容不得一丝闪失。
不过让他最为兴奋的是，中央批准了他们建设压水堆（核电站前身）的方案，同时总理亲自同意划拨了8000万人民币用于后续科研建设工作——在当时，这是难以想象的巨资。
时间，回到1970年的春节前夕，总理在北京听取上海市领导汇报因缺电导致工厂减产的情况后，答应设法缓解上海缺电问题。
同时指示“从长远看，华东地区缺煤少油，要解决用电问题”，需要搞核电，并同意上海市研制核电站。
当年上海缺电到什么程度？由于电力供应严重不足，上海电网经常“开三停四”，就是一个星期开三天停四天。
作为全国最大的工业城市，电力缺乏，已经成为上海产业发展最严重的的瓶颈之一。
如何解决？靠火力、水力都不现实，核能发电，是当时解决上海乃至华东能源短缺的唯一可行途径。
当年2月8日，上海市传达总理关于同意研制核电站的指示精神，并动员、部署开展核电技术方案研究。
由此，中国第一座核电站便以1970年2月8日这个特殊日子作为工程代号，命名为“728工程”。
而四年后的这次专程汇报，就是为了让总理了解728工程的进度的。
一年多后，总理带着对中国核电事业的关切，与世长辞。
而728工程历经曲折，最终为我国第一座核电站——秦山核电站的设计制造打下了基础。
【图】秦山核电站鸟瞰图（图片来源：网络）
1984年秦山核电站（728工程）开工建设，1991年并网发电，结束了中国大陆无核电的历史，被誉为“国之光荣”、“中国核电从这里起步”，并写入了中小学教科书。
而核能对于国民经济的意义，远不止几座核电站那么简单。
核能利用对电力发展起到了极为重要的作用，不仅是解决电力供应紧缺的问题，也为实现低碳电力提供了选择。 比如，法国的核电为本国提供了约75%的电力电量，占比为全世界之冠；美国的核电提供了本国19.3%的发电量，是仅次于天然气电、煤电的第三大电源。
【图】全球各国核电占比（图片来源：维基百科）
和传统发电方式相比，核电的有着六大优势：
一是具备替代性，可以解决煤炭、油气等化石能源资源不足以支撑的能源短缺问题。
二是具有清洁低碳的优点。
与火电相比，一台百万千瓦的核电机组每年可减少排放二氧化碳600万吨，二氧化硫2.6万吨，氮氧化物1.4万吨，清洁优势明显，外部成本明显低于煤电。
从全寿命周期来看，核电的温室气体排放量与风电相当，远低于煤电等化石燃料电厂的排放量。
一座核电厂全寿命周期的常规废物排放量，只相当于同等规模火电厂的0.5%~4.0%。
三是具有极高能量密度。
1千克铀235全部裂变，能够释放出相当于2700吨标准煤完全燃烧放出的能量。
一座百万千瓦级的核电站，平均每年只需补充约25吨的核燃料，全年只需几辆卡车运输，而同样功率的燃煤火电站每年耗煤达300万吨，每天需要供煤近万吨，需要占用数百节火车皮运，对运输造成了极大的压力。
四是单机容量大，适合带基本负荷运行。
五是核电运行成本相对较低。
核能发电全成本构成包括建设成本、燃料成本、运行和维护成本、乏燃料处理成本、退役成本以及财务费用。
其中运行成本占比约为20%~25%，建设成本占比较高，约占45%~50%，而核电燃料成本占比较低，约为20%~25%。
核电站一般设计寿命为30~40年，实际可以运行近60年。
而折旧年限一般为20~30年，折旧完成后，核电的发电成本将大幅下降。
【图】核电成本构成（图片来源：信达证券）
我们在看到优势的同时，也需要看到核电的六大劣势也十分明显：
一是核电站的核安全风险仍不能完全消除。
核电站一旦发生核事故，将比任何一种发电方式对人类社会产生的负面影响还要大，威胁核电站周边地区百姓的生命安全，对环境与生态的负面影响深远，难以修复。
二是核电技术复杂，导致总体发电成本相对较高。
与煤电、新能源发电相比，其上网电价没有优势，加上近年来煤电、新能源发电成本的不断下降，更加剧2020年，各种类型发电项目的电价如下图所示：
【图】随着其他能源发电成本的下降，核电的成本劣势更为突出（图片来源：智汇光伏）
由于核电技术上不适宜参与市场竞争，2013年以前，我国对核电基本实行一厂一价。
2013年6月15日，发改委决定对2013年1月1日以后新建核电机组实行标杆上网电价政策，标志着一厂一价政策的结束。
这个问题后文还会展开。
（根据目前核电社会平均成本与电力市场供需状况，核定全国核电标杆上网电价为每千瓦时0.43元）；全国核电标杆上网电价高于核电机组所在地燃煤机组标杆上网电价（含脱硫、脱硝加价，下同）的地区，新建核电机组投产后执行当地燃煤机组标杆上网电价；对承担核电技术引进、自主创新、重大专项设备国产化任务的首台或首批核电机组或示范工程，其上网电价可适当提高。
三是核电难以参与电网调峰运行。
为了保障核电运行的安全性，通常核电不具备电网调峰能力，更不能响应电网应急需要，而这成了核电一个很大的“短板”！
由于核电本身的特殊性，核电机组参与调峰，存在导致机组运行可靠性降低的风险（如发生落棒、弹棒等严重事故的风险增加，功率调节棒动作频繁，燃料包壳破损概率增大等问题），对运行人员的操作能力和实践经验有更高的要求，另外还会造成核燃料的浪费，增加放射性废物的产生和处理量。
据统计，法国参与调峰的核电机组每年非计划停堆小时数高达449小时，远高于带基荷运行的韩国核电机组（74小时）；由于参与负荷跟踪和调频，导致法国核电机组的可用性降低2%，燃料成本占发电总成本的比重从约20%增加至近24%。
正常情况下，我国核电机组一般保持额定功率运行，只有在恶劣天气等特殊时段，电网依据并网调度协议安排核电机组停机或降功率运行配合电网调峰。
四是核废料处理不仅价格昂贵，时间冗长，而且存在潜在安全风险。
有关核废料处理的更多细节，请参考扑克投资家此前推送的文章《最危险的垃圾！一文盘点核废料的产生与处理》了解更多。
五是核电厂退役后还需产生大量费用。
核电站停止使用后，对其废物的处理耗费成本也不可小视。
核电站据报道，日本福岛第二核电站4座核反应堆的报废可能耗费大约2800亿日元（约合177亿元人民币），耗时超过40年。
六是核电厂热力循环效率通常不及燃煤电厂。
如AP1000机组的热力循环效率只有33%左右，低于煤电厂42%~44%的普遍水平。
此外，在可再生能源快速发展和石油天然气资源开发技术取得新的进步，能源供应并不紧张的情况下，核电往往已不再具有最大的经济性。
综上所述，核电站虽然有着种种劣势，但其优势也是不容忽视的：能够在不产生大量碳排放的情况下实现大功率发电，并且由于对自然环境的要求比较低（水电、风电等都需要外部自然环境），因而可以实现即发即用，避免电力的远距离传输！
核电得天独厚的这些特性，恰好符合我国华东地区（经济强，资源少）的特点，也使得华东，成为我国核电的起点，并延伸到整个沿海，乃至全国。
第一代核反应堆，实际上并没有投入商业使用，只是个原型堆。 1942年，伟大的莅临物理学家费米曾经在美国芝加哥大学为了研究核能是否能够发电而制造的。 它验证了核能发电的基本原理。
【图】费米反应堆（图片来源：维基百科）
在费米反应堆之后，1954年前苏联建成世界上第一座原子能发电站，随后，各国又建设了一系列实验性反应堆，比如美国希平港核电站、法国舒慈核电站和德国奥伯利海母核电站，这些便是第一代反应堆，各国研发的目的也是验证核电的可行性，此时核电作为一种新兴的能源技术，仍处于工程试验阶段，还未进入到商业化。
第二代核反应堆，是在原型堆出现的十年以后，一系列1990年代前所建造的商业反应堆的总称。
核电逐渐迈入商业化始于上世纪70年代，由于石油大规模的涨价，促使了核电技术的迅猛发展，截止到现在，全球400多套在运行的核电站，绝大部分是在这个时期建成的，其中有56%的反应堆型是压水堆，21%是沸水堆，7%是重水堆。
人类核电的发展到第二代才算大规模商业化利用。
现在世界上大多数核电站用的都是第二代核电技术。
正如上文所言，秦山核电站建设时，也是按照第二代核电标准来建造的，采用的是国内自主设计研发的CNP300，而广东的大亚湾核电站，同样属于第二代核电站。
【图】上世纪90年代投入使用的大亚湾核电站（图片来源：网络）
进入本世纪以来，第二代+（Gen II+)反应堆，一般来说，现代化改进包括改进的安全措施及延长至60年的设计寿命，以与更先进昂贵的第三代反应堆设计进行区分。
国内设计制造的CPR-1000，就属于第二代+反应堆，全称中国改进型压水堆核电技术（China Pressurized Reactor），是在“第二代+”压水反应堆的基础上，将1990年代引进的法国900 MW的三个冷却回路设计改进成为拥有净输出功率1000兆瓦，设计使用寿命为60年的产品。
第三代核反应堆：上世纪90年代，为解决三里岛和切尔诺贝利核电站的严重事故的负面影响，世界核电界集中力量对严重事故的预防和后果缓解进行了研究和攻关。
第三代核能系统派生于目前运行中的第二代核能系统，反应堆的设计基于同样的原理，并吸取了这些反应堆几十年的运行经验，进一步采用经过开发验证且可行的新技术，旨在提高现有反应堆的安全性。
此前曾出现安全问题的核电站都是采用二代核电技术，最大问题就在于遇紧急情况停堆后，须启用备用电源带动冷却水循环散热。
而我国正在沿海建设并将向内陆推广的第三代AP1000核电技术则不存在这个问题。
“第三代核电技术最核心的进步就是采用了‘非能动’安全系统，一旦遭遇紧急情况，不需要交流电源和应急发电机，仅利用地球引力、物质重力等自然现象就可驱动核电厂的安全系统。
”
美国和欧洲先后出台“先进轻水堆用户要求”文件和“欧洲用户对轻水堆核电站的要求”，进一步明确了防范与缓解严重事故、提高安全可靠性和改善人因工程等方面的要求。
国际上通常把满足这两份文件之一的核电机组称为“第三代核电机组”。
第三代压水堆核电站有两种类型：改进型电厂（如EUR）和非能动型电厂(如AP1000)。
两种类型的核电站又分别有各自的专用要求，其要点如下：
改进型核电厂：更简化的专设安全系统；至少有两条隔离的和独立的交流电源与电网相连；至少三十分钟时间内，不考虑操纵员的干预；在丧失全部给水，至少在2小时内不应有燃料损坏；在丧失厂内外交流电源的8小时内，燃料没有损坏等。
非能动型核电厂：不要求安全相关的交流电源；至少72小时内，不需要操作员干预；严重事故条件下，安全壳有足够的设计裕量；不需要厂外应急计划等。
不管哪一种，其安全性和第二代相比都有了很大的改进。
因而其一经问世，受到全球核电用户的普遍关注。
那么问题来了，中国的核电技术，还能追赶世界新潮流么？
中国第三代核电技术之路并不是一帆风顺的，而是经历了多轮起起落落。
在此以20世纪90年代的二、三代技术路线的争议为例，说明两派的观点差异——彼时，第三代核电技术业已在全球发酵成型，二代+技术亦风头正劲，国内已有多个引进型二代核电站建设正在如火如荼展开，
对于中国核电的命运，自主派与引进派争论由此拉开。
进口支持者认为，二代改进型核电技术落后、不安全——彼时，国际上特别是发达国家新建核电厂大都采用第三代技术，只有中国还在大量批准新上二代机组（包括改进），如果继续建设，难免重蹈引进——落后——再引进——再落后的怪圈。
但反对的声音也不少：反对者认为，完全引进不能解决中国核电发展所面临的诸多问题。
由于AP1000是未经实际验证、甚至尚未设计定型的机型，如果完全依赖引进路线，就不可能完成到2020年建设4000万千瓦核电能力的规划目标。
有关“二代派”与“三代派”的争端的更多内容，本文限于篇幅就不继续展开了，详细可以关注扑克投资家后续推送的文章。
从2003年开始，我国就开启了第三代核电技术的研发工作。
初期，主要以“引进来“为主。
国家电力投资集团依托上海核工院（就是本文一开头的728）的技术力量，从美国西屋公司引进了AP1000核电站（非能动型核电站），而西屋完全转让了AP1000的设计、制造和成套技术，这为第三代大型非能动核电站技术国产化（CAP1400）打下基础。
同期，中广核则从法国引入了EPR核电站（改进型核电站），成为后来“华龙一号”的前身。
【图】美国西屋公司AP1000三代核电技术（图片来源：铁流）
一味靠引进，永远只能受制于人，只有在引进的基础上消化吸收，才能真正把技术掌握到手。
在这方面，中国高铁已经树立了好的榜样，中国核电自然也不甘示弱。
华龙一号核电技术是中国核工业集团和中国广核集团联合研发的成果，在华龙一号之前，中核已经有ACP1000、中广核有ACPR1000+技术作为基础，华龙一号就是两种技术融合而成的。
2013年，两家公司分别研制成功，但因各种原因迟迟不能投入商业生产。
后经历一系列协调，虽然品牌双方共有，但是知识产权各自所有，中广核建设“华龙一号”，需要向中核支付技术专利费用。
2020年11月初，中广核宣布于2017年8月启动EUR认证的华龙一号已经获得了EU设计满足欧洲最新核电要求。
2020年9月4日，采用华龙一号技术的福清核电站5号机组开始装载燃料。
同年11月27日0时41分，福清核电站5号机组首次并网发电成功，这标志着华龙一号全球首堆并网发电成功。
2021年1月29日，福清核电5号机组完成168小时满功率连续运行考核，30日正式投入商业运行。
【图】福清核电5号机组（图片来源：新华网）
“华龙一号”首堆机组投入商业运行，能产生哪些效益？中核集团福建福清核电有限公司总经理赵皓给出了下面的数据：
单台机组装机容量116.1万千瓦，每年发电近100亿千瓦时；相当于每年减少标准煤消耗312万吨、减少二氧化碳排放816万吨，植树造林7000多万棵。
未来，华龙一号还将在宁德、防城港、昌江、漳州等地的核电站投入使用，华龙一号不仅在国内大展拳脚，还出口到海外，成为中国制造的一张名片：
从2015年5月7日正式落地福清，到2021年1月30日投入商业运行，相较国外同类工程，“华龙一号”首堆机组成本降低了20%—30%。
“这让‘华龙一号’成为当前核电市场上接受度最高的三代核电机型之一。
在巴基斯坦卡拉奇，2台“华龙一号”在建机组顺利推进，此外，智利、英国、阿根廷等国也有“华龙一号”的布局。
对此赵皓更是得意满满：
按目前市场情况测算，每台“华龙一号”机组全寿命期内在国内创造产值将超过2000亿人民币，并提供超过15万个就业岗位。
另外，每出口一台“华龙一号”机组，将为我国带动相关机电产品和材料出口近200亿元。
【图】采用“华龙一号”的英国布拉德韦尔核电站（图片来源：网络）
如果说华龙一号走的是出口路线的话，那么CAP1400就是精耕本土的典型。
AP1000技术的引进、消化、吸收和再创新实行三步走。
第一步是以外方为主，中方全面参与的方式，建成4台AP1000机组，把整个设计、建造、运行维护流程走一遍。
第二步是以中方为主，外方支持，使中方单位能够具备建设AP1000核电机组的技术能力。
在第一步和第二步的落实过程中，中方单位掌握了AP1000的设计技术，具备了非能动型号自主设计能力与持续开发能力，建立了完整、先进、配套的核岛设计分析软件体系和平台，推进了设备国产化，最终在二代加设备制造的基础上整体形成三代设备国产化制造能力。
第三步是实现压水堆重大专项全面自主创新，形成CAP1400标准设计，并建成CAP1400重大专项示范工程。
后来，也许是为了和“华龙一号”形成呼应，改了一个更加闪亮的名字——“国和一号”。
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“从AP1000到国和一号，这不是简单的等比例放大就行的，所有的研发设计都需要你自己重新设计。
”国和一号”总设计师郑明光说道，因为在与西屋公司的合同里写了一条，就是如果我们自己能设计出功率超过1350（135万千瓦）的方案，就能拥有属于自己的知识产权。
而国和一号（CAP1400），真的不负众望，实现了“青出于蓝，而胜于蓝”：CAP1400并非是美国AP1000的山寨或者仿制，而是完全将国外技术消化吸收之后的自主创新，最直观的表现就是CAP1400一系列性能优于AP1000（见下表）。
除此之外，CAP1400还有较好的安全性和经济性。
掌握了自主知识产权的“国和一号”，被用在三门核电站1号机组和海阳核电站的2号机组中，设备的国产化率，从一开始的31.5%飞跃至72%。 在最新的“国和一号”示范项目——石岛湾核电站中，国产化率目标再次上升到90%以上，预计今年即可并网发电，并能够在后续核电项目中实现设备国产化率100%的目标。
【图】石岛湾核电站（图片来源：大众日报）
2000年1月，在美国能源部的倡议下，美国、英国、瑞士、南非、日本、法国、加拿大、巴西、韩国和阿根廷等十个有意发展核能利用的国家，联合组成“第四代国际核能论坛”(GIF)，并于2001年7月签署了合约，约定共同合作研究开发第四代核能系统(GenⅣ)。
第四代核能利用系统，常指快中子反应堆技术，不使用铀燃料，而改用钚-239作燃料，换言之，就是在堆心燃料钚-239的外围再生区里放置铀-238，钚-239产生裂变反应时放出来的快中子，被装在外围再生区的铀-238吸收，铀-238就会很快变成钚-239。
这样不仅提高了产能，而且还充分利用了铀-238这一核废料，核废料导致的环境污染问题将能得到解决。
从而使第四代核电的安全性和经济性都更加优越，废物量极少，无需厂外应急，并具有防核扩散能力的核能利用系统，它的商用化估计要到2030年左右方能实现。
【图】一代到四代核电的发展简史（图片来源：维基百科）
据研究，第四代核电站可能的反应堆类型有多种，每种都有自身的优缺点，详情可以参考扑克投资家此前推送的文章《最危险的垃圾！一文盘点核废料的产生与处理》。
其中，高温气冷堆所具有的安全性好、出口温度高等特点，被国际核能界认定为最具发展潜力的先进堆型之一。
之所以叫高温气冷堆，是因为它在冷却过程中不是使用水，而是采用惰性气体氦气来冷却的，使用氦气的主要特点是能够充分吸收热量，从而产生700多度的高温，而现在普遍使用的水冷反应堆则只能产生300多度的高温。
在出口能够产生更高的温度，也就能让发电效率更高，使用高温气冷能让发电效率提高30%以上，是目前发电效率最高的核反应堆。
其应用除发电外，还可以用于石油，化工以及炼钢等领域，同样可以为这些行业提供高温热能。
【图】高温气冷堆原理图（图片来源：科技日报）
同时，高温气冷堆的安全性也有了长足进步：和传统的水冷不同，高温气冷堆是将燃料做成直径只有0.5毫米的颗粒，再分散在高温石墨做成的燃料球里面，只要温度不超过1600度，所有的核反应都在燃料球内部进行，也就不会有放射性物质的外泄。
而且，高温气冷堆还会通过燃料颗粒中添加一些新的物质来保证安全，例如会添加铀238这种与铀235特性相差很大的原子，当铀235反应剧烈时，铀238利用其并不活泼的特性从而能抑制住铀235的过快裂变，这就相当于增加了一道天然的安全防护墙。
【图】燃料球示意图（图片来源：科技日报）
值得骄傲的是，在第四代核电领域，中国已经处于全世界绝对的领先地位。
就在今年9月，核电工程的领头羊中国华能宣布，“华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程 1 号反应堆成功达到临界状态，机组正式开启带核功率运行。
”示范反应堆机组容量为 20 万千瓦，是中国第一座模块式高温气冷堆，在世界范围内亦属首例，同时也拥有完全自主知识产权。
今年3月，该示范工程1号反应堆已成功结束首次装料、热态及冷态功能的试验。
【图】华能石岛湾示范工程1号反应堆（图片来源：中国华能）
从二代到四代，中国核电走了一条依靠引进，到消化吸收，最终达到世界先进水平的路，最终实现了弯道超车。
下面这张图，展示了中国大陆所有核电厂的全貌（截至2020年5月）：
按照十四五规划，核电运行装机容量达到7000万千瓦。
目前，核电的总装机容量为5105.816万千瓦（近期数据）。
意味着还有2000万千瓦的空间。
五年要建成二千万千瓦，田湾5+6，红沿河6，福清6，漳州1+2，太平岭1+2，防城港3+4，霞浦1+2，荣城1+2，高温气冷堆1+2，昌江3+4，三澳1+2，要全部建成才有20个堆，大大小小的有2000万千瓦。
预期在未来开工的项目有徐大堡、海阳3#4#、三门3#4#、田湾7#8#、宁德5#6#、陆丰1#2#、还有个别正在积极推动的新项目！
凭借良好的固有安全性、环境适应性及发电效率，包括华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程1号反应堆在内的高温气冷堆已成为中国改良能源体系、实现碳达峰与碳中和目标的主要力量之一，不仅在核能发电等领域得到广泛应用，而且具有商业化的落地前景。
联合国欧洲经济委员会（UNECE）发布报告，指出“核能是低碳电力和热能的重要来源，有助于实现碳中和，从而有助于缓解气候变化。
”按照报告的说法，在未来的脱碳能源组合中，核电有可能加强与其他低碳能源的整合，到2050年核能发电需求将增长6倍，提供全球25%的电力。
实际上，采用核能发电解决电力缺口已经刻不容缓：依然以国内为例：已经久违多年的大规模拉闸限电，近期又在全国多地出现，其中最主要的原因，就是电煤缺口带来的煤价疯涨给下游电力企业造成的严重亏损，而大规模的拉闸限电，又给几乎所有的制造业产业链带来了严峻的挑战。
虽然这本质上是市场原因，但我们也可以换个角度思考，如果核电能够得到大规模应用，并在成本效益上和火电相比具有优势，那么电力就再也不会被煤炭“卡脖子”了。
希望这一天能够早日到来。
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