每日消息!美能源部發布報告《先進核能商業化路徑》
時間：2023-06-25 12:05:49
2023年3月21日，美國能源部發布報告《先進核能商業化路徑》。報告指出：核電是為數不多的可供選擇的清潔基荷電力技術之一;為實現凈零排放目標，美國到2050年可能需要建成2億千瓦核電裝機容量，并需要在2030年啟動先進核能的商業化部署。
這是能源部為加速先進清潔能源技術商業化部署發布的首批三份報告中的一份。另外兩份報告分別涉及清潔氫技術和長時儲能技術。這三份報告分別分析了先進核能、清潔氫和長時儲能技術商業化路徑及其面臨的挑戰，并提出了應對建議，目的是為未來政府與私營企業及其他機構合作推進相關技術商業化提供參考。
(資料圖)
1核能是有助于能源結構清潔低碳轉型的寶貴資產
報告指出，核能是能夠助力能源結構清潔低碳轉型的寶貴資產，因為其具有六方面優勢。
一是能夠以清潔低碳的方式生產電力。核電是全壽期碳排放量最低的電力生產技術，并且在運行過程中不會向外界排放空氣污染物。因此，發展核電不僅有助于降低碳排放，而且有利于保護公眾健康。
二是能夠助力可再生能源發展。研究表明，雖然可再生能源能夠在降低碳排放方面發揮關鍵作用，但當可再生能源發電量在總發電量中所占份額超過80%后，則需要獲得能夠長時間持續運行的基荷能源的支持，否則電網的運行穩定性將受到影響。核電廠是具有成本競爭力的基荷電廠，能夠支持可再生能源的持續發展。
三是占地面積小。核電廠是占地面積最小的發電廠之一。這意味著未來電力公司可以充分利用現有核電廠址開展建設，從而降低在選址、取證等方面的風險。
四是對電力傳輸設施的要求低。主要有兩點原因：一是在電力需求區附近建設核電廠面臨的技術性限制條件較少(但在公眾接受度方面會面臨挑戰);二是核電廠具有高功率密度和高負荷因子。未來的核電廠還可以充分利用最初為燃煤電廠配套建設的電力傳輸設施。
五是能夠助力地方經濟發展。在所有能源技術中，核電能夠給地方帶來最大的經濟效益。就每百萬千瓦電力裝機容量而言，核電創造的就業崗位數量是風電的約3倍;核電廠工作人員薪酬比風電或太陽能電廠工作人員高50%。美能源部2022年9月發布的一份報告指出，近400座已關閉和在運燃煤電廠適于建設核電廠(詳見本刊2022年第10期相關報道)。
六是具有多元化用途。除了發電，核能還可用于制氫、海水淡化、區域供暖、為工廠提供工藝熱，在滿足更多領域能源需求的同時，還能在更大范圍內助力碳減排。
2需要在2030年啟動先進核能商業化部署
為實現2050年凈零排放目標，美國需要建設5.5億～7.7億千瓦的清潔基荷電力裝機容量。核電是為數不多的可供選擇的基荷電力技術之一。
報告將美到2050年建成2億千瓦核電裝機容量作為一個基準值。該值是近年來多個研究項目獲得的2050年核電裝機容量預測中值，并且是一個雖有挑戰性、但可以實現的目標。
報告將先進核能技術分為兩類：一類是第三代+反應堆技術，與傳統反應堆類似，使用水作為冷卻劑，低濃鈾作為燃料;另一類是第四代反應堆技術，使用高豐度低濃鈾等新型燃料以及液體金屬等新型冷卻劑。報告還按照裝機容量將先進反應堆分為三大類：大型反應堆(裝機容量100萬千瓦及以上)、模塊化小堆(裝機容量5萬～30萬千瓦)和微堆(裝機容量5萬千瓦及以下)。在這三類反應堆中，模塊化小堆更易達到預期的成本目標，并將在先進核能大規模部署初期發揮重要作用。但是，如果要建設2億千瓦裝機容量，可能還需要建設大型反應堆。
報告指出，如果某一新型反應堆技術實現大規模部署，其首堆的隔夜造價需要達到每千瓦6200美元，在建成10～20座反應堆之后，隔夜造價應降至每千瓦3600美元。美國正在實施的沃格特勒核電建設項目的隔夜造價已超過每千瓦1萬美元。
美國需要盡快為啟動先進核能大規模部署做好各項準備工作：如果在2030年啟動，并到2040年達到年均建成1300萬千瓦的速度，就能穩步實現到2050年建成2億千瓦核電裝機容量的目標;如果推遲至2035年才啟動，則可能不能實現2050年目標，或需要到2046年達到年均建成2000萬千瓦的速度，這會導致投資額增加50%(下圖)。
3先進核能商業化路徑
報告建議了美國先進核能商業化路徑。該路徑主要包括三個相互重疊的階段(詳見下圖)。
第一階段是簽署訂單。推進某種先進反應堆的商業化，需要到2025年簽署5至10座這種反應堆的建設合同，以便為供應鏈企業提升產能預留足夠的時間。截至2023年1月，美國沒有企業簽署反應堆建設合同，雖然有多家企業表示對建設先進反應堆感興趣，并簽署了諒解備忘錄或意向書。盡管美國能源部在“先進反應堆示范計劃”中資助兩種第四代反應堆技術在2028年底前建成首堆，但報告指出，考慮到電力公司的風險承受能力，首種實現商業化的技術很可能是第三代+模塊化小堆。
第二階段是項目建設。在獲得首批訂單后，按時并在預算范圍內完成首批反應堆建設將變得極為重要。必須在五個方面保證相關工作的高質量開展。一是設計，即設計者高質量完成反應堆設計，供電廠建設者使用;二是選址和獲得早期廠址許可，即評價在相關廠址建設反應堆的適宜性;三是建設，即在選定的廠址按照最初的設計完成電廠建設;四是供應鏈，即供應鏈企業完成設備制造并將設備運至廠區;五是取證，即在項目執行過程中，所有相關方與美國核管會及其他監管機構合作，保障能夠安全且高質量地完成電廠建設。
第三階段是產業化發展。先進核能發展獲得商業動力后，政府提供的支持將會大幅減少，為保證新項目順利交付，需要加強核工業的基礎能力建設，包括人員配備、供應鏈建設、取證能力、測試能力和乏燃料貯存等。
4商業化挑戰及應對方案
對于先進核能商業化進程，報告分析了在三個階段將面臨的挑戰，并建議了應對方案。
4.1簽署訂單
由于首批建設項目沒有現成經驗可供參考借鑒，面臨拖期超概的風險較大，因此出現了一個僵局，即首批反應堆建設訂單遲遲沒有出現。針對這一僵局，報告建議了三種應對方案。一是組建企業聯合體，就采用相同設計建設多座反應堆簽訂成本分擔協議，共同承擔風險。二是先由開發商批量建設反應堆，然后由終端用戶租賃反應堆或向其銷售電力。這一方案能夠降低最終用戶的風險，因為風險主要由開發商承擔。三是向外國客戶出口5至10座反應堆。這能夠幫助國內客戶樹立信心，并助力供應鏈企業建立能力和擴大生產規模。
政府可以提供下述四種財政支持，幫助降低首批項目的風險，以在2025年前促成首批反應堆建設訂單。
一是成本超支保險。第三方(政府或非政府機構)可以作為項目承保方，部分承擔超過某一閾值的反應堆造價：為項目設置一個成本閾值，一旦超過，將由政府或其他實體承擔部分超支費用，例如總超支的50%。這有助于降低項目過度超支風險，并吸引電力公司及其他客戶簽署反應堆建設訂單。如果由美國政府作為項目承保方，則需要國會制訂法規，對具體細節作出相關規定。
二是財政援助。例如分級援助，即第一個項目獲得最高資助額，后續項目資助額逐次遞減。這一機制可以提供部分風險保證，同時激勵客戶盡早簽署反應堆建設訂單，確保先行者獲得最大程度的財政支持。
三是政府直接出資購買核電廠。例如，聯邦所有企業田納西流域管理局2022年8月與通用電氣-日立核能公司簽署協議，合作在田納西州橡樹嶺克林奇河開展模塊化小型沸水堆BWRX-300的建設規劃和初步取證工作。此外，模塊化小堆和微堆可能尤其適用于向地處偏遠的軍事基地和其他國家安全基礎設施提供電力。
四是政府購電。政府機構可以采用簽署長達10年的直接購電協議等方式，助力電力公司簽署首批反應堆建設合同。
4.2 項目建設
在項目建設階段，存在兩項挑戰：一是按時按預算完成項目建設，二是缺乏可供未來核電建設項目參考的體系化的核電建設項目管理知識。
對于第一項挑戰，即按時按預算完成項目建設，核工業界能夠從現行的沃格特勒核電建設項目汲取經驗教訓。該項目正在建設兩臺AP1000機組，分別于2013年3月和11月正式啟動建設，原計劃分別于2017年和2018投運。但這兩臺機組至今仍未投運。
造成這兩臺機組嚴重拖期的根本原因有七個：一是在啟動建設時設計方案尚不完整，二是項目整體進度表不夠詳細，進度安排缺乏靈活性，項目管控體系存在不足;三是質量保證和質量控制措施不到位，文件記錄標準不當;四是風險評估不足;五是設計方案在可施工性方面存在不足;六是工作人員缺乏經驗;七是新冠疫情(不在項目執行的控制范圍內)。
這七個根本原因導致項目在實施過程中出現四方面系統性問題：一是需要開展大量返工和補救工作;二是供應鏈延誤，包括設備不能及時交付和已交付設備存在質量問題;三是人員工作效率低于預期;四是存在大量請假和缺勤現象(因新冠疫情)。
對于導致沃格特勒項目延期的七個根本原因，前六個在項目執行的控制范圍內，能夠在未來建設項目中有效避免。
一是在正式啟動建設前完成設計。技術開發商應在項目啟動施工或制造商啟動設備制造之前完成70%以上的設計，即完成不涉及具體廠址條件的所有設計。但是，相關技術開發商表示，他們不愿在沒有簽署訂單的情況下花費額外的資金來完成設計。這導致了一個矛盾的局面，即客戶期望合同簽署后立刻啟動項目建設，但此時設計卻尚未完成。因此，有必要向相關技術開發商提供資助，支持其盡早完成設計。
二是對設計方案進行詳細的可施工性審查，確保項目能夠以最有效的方式得到執行。確保有施工方面的專業人員參與最終設計方案的編制，并進行“從設計到施工”以及“從設計到運行”的分析。
三是編制一套能夠獲得配套資源支持的、可行性高、靈活性強的綜合項目進度表并建立適當的項目管控機制，確保項目順利執行。政府可以向技術供應商提供資金支持，制定綜合項目進度表，包括但不限于現場施工、模塊化制造、材料清單、長期優先項目安排(制造大型鍛件等)，以及建設過程中每個環節所需的勞動力和技能要求。
四是確保質量保證/質量控制與文件記錄標準明確且一致。開展必要培訓，保證員工和管理層正確理解質量保證/質量控制和文件記錄標準，在團隊中以自上而下的方式加強質量文化建設。施工方應與監管機構密切合作，在質量保證標準方面達成一致，避免返工。
五是在整個項目周期內進行嚴格的項目風險評估，識別關鍵風險和風險承擔者，及早規避風險;定期查看風險清單，依據實際情況修改、增加或刪除風險條目。
六是盡早開展人員培訓。制訂和執行標準化的培訓計劃，并確保提供的就業崗位在當地勞動力市場具有競爭力。
對于第二項挑戰，即缺乏體系化的核電建設項目管理知識，公共和私營機構應當合作建立一個負責項目管理知識的實體，共享從相關項目中獲得的知識。一旦一個項目得到成功實施，其經驗和教訓均可供后續項目參考。
4.3 產業化發展
截至2023年，美國的核工業界無法支撐每年新增1300萬千瓦、到2050年新增2億千瓦核電裝機容量的目標，未來需要在六個關鍵領域加強能力建設。
一是人員配備。到2050年建成2億千瓦核電裝機容量，將需要約37.5萬名專業技術人員和非技術人員從事建設、制造和運營工作;目前核工業僅有10萬名工作人員。
二是燃料供應鏈。實現2050年核電建設目標，需要將燃料供應鏈能力提升1至2倍。2050年，核燃料年均產能需增加約5000噸，當前產能為每年4200噸。相關的天然鈾、鈾轉化、鈾濃縮需求也會大幅增加。
三是設備供應鏈。目前美國設備供應能力不足：缺乏大型鍛件制造能力，小型鍛件的制造能力僅能滿足每年建設300萬千瓦裝機容量的需求。
四是許可證審批。可預測的許可證審批時間被認為是加快先進核能部署的關鍵要素。為實現每年新增1300萬千瓦核電裝機容量的目標，核管會可能需增加約500名許可證審查人員，300～500名專家，以及1000名核電機組建設監督員、核電廠運行檢查員等;
五是測試能力。第三代+反應堆技術的測試要求相對較少，因為其基于成熟技術。然而，對于第四代反應堆，需要一座快中子試驗堆，用于開展燃料和設備材料的測試工作。美國需要投資建造一座快中子試驗堆，或者與擁有相應能力的國家開展合作。
六是乏燃料貯存。美國現有乏燃料分散貯存在各座核電廠，未來需要建設一座集中式中間貯存設施，或批準在內華達州尤卡山以外的地點建立永久性深層地質處置設施。
5結語
先進核能是一種能夠支持可再生能源發展的清潔基荷能源，具有占地面小、對電力傳輸設施要求低、能夠助力地方經濟發展、具有多元化用途等特點。盡快推進先進核能商業化部署是實現美國2050年凈零排放的關鍵。
先進核能商業化過程可分為簽署訂單、項目建設和產業化發展三個階段。每個階段均面臨著嚴峻挑戰。需要政府、私營企業和相關機構密切合作，共同應對這些挑戰，推動先進核能早日實現商業化部署，助力美2050年碳減排目標的實現。
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