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“核复兴”需要转变“思维模式”

2020-02-07 14:55    核工程与核技术

美国机械工程师学会(ASME)网站曾发表罗姆尼·达菲(Romney Duffey)和伊戈尔·皮奥罗( Igor Pioro)的长篇评论,专门讨论现代核能在控制碳排放世界的未来。他们认为,核电行业必须信奉新理念,在可能出现真正的核复兴之前,开发安全、简单、成本有竞争力的反应堆[1]。这种观念,值得核工业技术与决策人士深思。我们应该生活在核工业最好的时代。核能与其他能源相比,有明显的优势。它和天然气、石油或煤炭不同,几乎不产生任何净碳排放,或多或少一直...


美国机械工程师学会(ASME)网站曾发表罗姆尼·达菲(Romney Duffey)和伊戈尔·皮奥罗( Igor Pioro)的长篇评论,专门讨论现代核能在控制碳排放世界的未来。他们认为,核电行业必须信奉新理念,在可能出现真正的“核复兴”之前,开发安全、简单、成本有竞争力的反应堆[1]。这种观念,值得核工业技术与决策人士深思。

我们应该生活在核工业最好的时代。核能与其他能源相比,有明显的优势。它和天然气、石油或煤炭不同,几乎不产生任何净碳排放,或多或少一直在运行”,容量因子比风能或太阳能高几倍。核电站与水电大坝不同,可建在各种各样的地方,而且占地面积小。

更重要的是,十多年来贷款利率一直很低,有经济能力给大型基建项目融资。这对核电来说至关重要,因为它的运营成本很低,只是前期成本很高。

最关键是,核能得益于世界各国政府谋求能源安全和供应多样化,有政治、技术和经常的财政支持。诚然,并不是每个政府一直都支持,德国就是其中之一,已关闭了自己的核动力堆群。但是一般来说,政府根据当地的政治形势,提供研发资金、税收减免,甚至为建设资金提供贷款。

21世纪初,人们谈论的所谓“核复兴”,是计划建造数百座新型核电站。现在本应该看到这方面的成果,但并没有出现。

发展中国家或“新兴”国家,包括中国、俄罗斯、印度、巴西和阿拉伯联合酋长国,对核工业一直感兴趣,而且还在扩大。即使在美国,运营改善也导致净发电量增长。2019年4月,核电机组的发电总量超过了燃煤机组。

但是,总的来说,传统工业化国家,核工业的特点是停滞和倒退,不是复兴。几乎没有在建的新机组,而现有的机组也在退役。

形势

展望2050年,国际原子能机构(IAEA)认为,全球电力市场,最乐观的核能份额仅为5%左右,低于目前的10%;在美国和欧洲,市场份额稳步下降到3%-5%,构成潜在的市场“失败”。

导致停滞不前,明显的、完全不可否认的因素是:

• 切尔诺贝利和福岛事故的“余波”。问题不在于这些事故本身造成多大的损失,而是其高昂的成本,即便财力最雄厚的业主或运营商,也会因此破产。公众的恐慌导致许可证发放时间延长、设计成本增加,还要给现有和新建的核电站提供额外的备用电源和冷却选项。

• 非常规石油和天然气产量大增。由于“水力压裂”,美国正在生产、甚至出口廉价的化石燃料。这就削弱了全球核工业的销售额,使核电站在开放的电力市场上失去竞争力。在这种市场,可以得到更便宜的替代能源。事实上,与煤炭相比,改用天然气减少了排放,降低了发电成本,提高了效率。

• 对项目完工和成本控制失去信心。大型核电项目遭遇的困难,导致三大核供应商,即美国西屋电气、法国阿海珐和加拿大原子能公司(AECL)破产或重组。目前,投资市场的“金融风险保费”,对短期有保证的回报和“未知风险小”有利。没有补贴或财政支持的担保,包括强制的电力购买协议和定价,现行或规划的核电项目,无法提供这种回报和这么低的风险。

这种事态超出核工业利益相关者的承受能力。但在未来几十年,在全球范围内建造许多1百万千瓦(GWe)规模反应堆的计划,或许是满足规划经济和能源需求、同时帮助稳定全球二氧化碳排放的最佳途径。

为重振核行业,以便使它能应对这个挑战,最重要的是评估核电工业的现状,调查在开放和竞争的市场,所有新能源技术必须满足的必要条件,确定当前和未来的核能技术是否有能力实现这些目标。

自2011年3月福岛核事故以来,尽管在此期间,现有机组的运行时间更长,更加努力,净发电量也有所增加,核能在全球电力生产中所占份额已从14%降至目前的10%左右。

 

中国台山核电站拥有两座1660万千瓦级的核反应堆

老旧核电机组正在退役,而新核反应堆建设步伐缓慢(中国除外),以至于从2011年到2019年,全球运行的反应堆净增数量只有5个。在许多市场,由于担忧碳污染,燃煤发电量在下降,依靠廉价天然气做燃料的燃气轮机,或者通常得到政府税收抵免资助的风力涡轮、可再生能源投资组合、提高强制性关税补贴来满足。这两种能源都没有核能的碳排放量小、容量因子高、运行寿命长的优势。

目前,世界31个国家运行的核电反应堆,装机总量约为400GW,而自2011年3月以来,运行反应堆装机容量净增23GW。这种粗略的稳定,掩盖着相当大的波动。因为中国在这段时间增加了34个反应堆,而德国、日本、英国和美国累计减少了37个。

远景规划

展望未来,目前运行核电反应堆的18个国家,仍计划增加新的反应堆;还有5个国家(孟加拉国、白俄罗斯、埃及、土耳其和阿拉伯联合酋长国)计划建设它们的第一批反应堆。

中国、俄罗斯和韩国政府支持的制造商,有融资或政治担保,控制着新建活动。这三个国家的供应商正在全世界建造60个新的核反应堆。

在更开放的市场,有些技术鼓励和保证投资者的回报。所有这些意味着,客户以这样或那样的方式为电厂埋单。这种以市场为导向的方法,包括各种各样的定价机制和“受监管的资产基础模式”(国有或地方所有电力公司),监管机构评估新核电项目的价值,并为投资者提供固定的收益率,消费者预先支付电费。

这种融资机制的理由很简单,但最近完成的项目和可能的核能设计,比其他替代能源(如燃烧天然气)更昂贵。

此外,因新增容量在少数几个地区,增幅非常大,而供应商分散在世界各地,很难建立、维持制造与供应链能力。这就限制了批量生产同样设计多台机组的能力。由于对这种本质上“翻版”的设计,没有像航空工业那样,采用商定的国际颁证程序或“资格认证”,大规模生产进一步受阻。

除中国之外,全球在研发和示范全新技术方面的投资也很匮乏。在中国,简直在“每种类型逐个”地建造和试验。

未来十年,全世界的核电建设计划加在一起,有希望的数字是:预定要建成大约90个反应堆,净电力输出超过90GWe。核工业是否能满足这个建设计划,甚至保持运行反应堆净数量稳定,还有待观察。

但世界需要的更多。

新兴核技术

突破目前的停滞状态,开发新一代核能技术是个可行的方法。

可以肯定的是,许多公司和组织正在研究各种概念,在不同规模上、使用不同的燃料或另类冷却介质,或在其他某些基本途径方面,与目前主导核工业的轻水反应堆技术有所不同。

评估这些概念的前景并不总那么明朗。任何此类新的或下一代核概念或设计,相对现有的能源替代品,成功部署的关键,尤其取决于在地方或国家电力市场的竞争能力。

然而,竞争不仅仅是供电的经济效益,而是整体性的。

如何评估这些建议? 没有迅速成功的科学,但需要客观和理性的思考。

核能的任何新概念、设计或技术要求以及内在的挑战,可概括如下“八项要求”:

• 比前几代核技术更安全;

• 要求展示的财务风险和基建成本更低;

• 容易快速建成;

• 容易获得国家监管当局的许可;

• 控制可靠而且简单;

• 有可靠和可持续的核燃料供应;

• 能提供社会价值和接受度;

• 有最低发电成本竞争力。

这些要求的关键共同点是,对技术要求(规范)保持沉默(如果不是完全沉默的话)。只要反应堆概念能满足这八个挑战,意味着比现有的核电厂“更好”,也比燃气轮机和燃煤热电厂“更好”,什么燃料或如何冷却,都不重要。

市场决定需求和各种技术规范,实现突破的准确设计或手段是次要的。

实际上,核岛只是整个电厂或项目成本的一小部分,因此技术选择显然不是关键[2]。真正的问题是充分优化任何新技术设计和性能的总成本和效率,满足电力和金融市场的各种要求,而不是选择或开发表面上有吸引力但成本昂贵的某些东西。

挑战和解决方案

就目前核能的发展而言,核电厂有以下缺陷:产生放射性废料;热效率相对较低,尤其是那些配置水冷堆的核电站;在严重事故期间有放射性释放的风险;依赖的核燃料生产工艺不够环保。这些缺陷都是不可接受的。

扩大核动力发电所占份额,或者简单地预先阻止核能“市场份额”下降,需预先解决这些缺陷,并满足上述的“八项要求”。

确保满足要求的途径是,在进行初步设计活动之前,确立销售潜质、目标市场和性能绩效目标。可以反复进行,首先评估最佳基建成本、运营和发电成本,作为电厂输出规模的“函数”,以确定系统设计目标和技术要求。之后,需要确立投资需求和合适的电力购买协议或合同。最后,可以确定与电力市场和客户电力需求相匹配的工程建设轮廓和产量,根据需要重复前述步骤,如必要,更改甚至采用不同的技术。

这种系统性方法为供应商和客户提供一致性的业务模型,作为快速审计和评估工具,也非常有用,而且“排除”了不具竞争力的选项。

颁发许可证、选址、核燃料和退役成本很难大幅度降低,所以要满足市场需求,降低基建和运营成本是显而易见的首要目标。对大型核电机组,如最近在中国、欧洲和美国建造经验不利的争论表明,大型机组通常需要60多个月才能建成,或施工经历重大延误,而长时间超期和延迟是主要因素,因为能源平准化成本增长与项目时程增加几乎呈线性关系,必须加以避免。

相反,经常提到的目标是简化和“模块化”设计,降低基建和运营成本,缩短建造时间,但也许建造多个小型机组取代一个大型机组,反而会传播风险并增加成本。

根本问题在于,减少电厂输出使能源的平准化成本上升,因为许多电厂的其他部分(BOP)、其他可变和固定成本(如场址、安全、基础设施、工程、退役,和人员配置)并不按比例减少,以至于随着输出的减少最终成为主导者。除非承诺大量建造这种简化的、生产线或“福特”式的反应堆,工程、设计、颁发许可和机构置设成本,都必须由最初的几台机组承担,否则,“同类”首台机组加大的成本,远远高于经济平衡点。

有鉴于此,核工业可借鉴飞机制造行业的经验,采用“订单”方法:启动建造计划之前,公司接受客户的一定数量同类产品的承诺。“填写订单”是设计和市场特性,只有大规模生产才有可能降低成本,弥补建造小型机组和电厂的不利影响。

在理论和现实生活中,生产数据表明,生产10个或更多的部件,应降低成本50%,现已知AP1000的真实成本,在美国不遵循这些预测,当前EPR的建设,在法国和芬兰也都是如此,首先归因于施工和项目进度长期延误,使成本上升。

另一个相关的概念是模块化的结构,广泛应用于石油钻井平台、军事装备、建筑物、数据中心、计算机和联合循环燃气轮机装置。模块不是单个的大机组,而是规模更小,可以根据需要添加,以满足当地市场的电力需求。

即使各种较大模块组成的系统,也可称之为“亚模块化”,出于安全、维护和性能绩效原因,在需要“冗余”的情况下特别重要。小型模块化反应堆(SMR)概念,基于在工厂建造各种各样反应堆的每个机组,再运输到现场,而不是在现场建造。

模块“工厂”的投资非常昂贵,需要大量的前期承诺(例如,“订单”中的选择100个标准化机组),而且必须谨慎地管理负面风险,成本也务必在销售的许多机组中扣除或摊销。不言而喻的是,虽然小机组的电力和能源成本高,大规模生产承担的金融风险相当小,遭受损失的时间也很短。

不可否认,在世界核工程范围内,SMR是个非常“热”的话题。规模较小、甚至是“六个一包”的机组就能降低投资风险,同时逐步增加产能,渗透规模更小的电网和市场。据IAEA称,全世界提议的SMR设计或概念大约是55个。在2019年,俄罗斯推出和颁证的“罗蒙诺索夫院士”号驳船(Akademik Lomonosov),携带俄罗斯最好的两个SMR-KLT-40S型反应堆,设想是供电70 MW的浮动式核电站,给该国北部地区提供电力和热能。

 

“罗蒙诺索夫院士”号的KLT-40S型反应堆压力容器 (中间),四台蒸汽发生器(大圆桶)和四台冷却剂循环泵 (小圆桶)

虽然SMR概念很吸引人,但事实上,最近由核能机构(NEA)和南澳大利亚核燃料循环皇家委员会进行的比较研究,相对于竞争的核技术,未能证明目前的SMR概念具有明显的市场或价格优势。

核工业总体上面临的挑战,诸如现代天然气和超临界压力燃煤电厂的基建成本低、效率高,可能会在短期内拖累SMR的发展和部署。

未来的核电站

对最近公布或推导的实际成本进行简单的比较就会发现,目前建造或计划建造的多机组核电站(无论规模大小),必须将每kW的比投资(或称每MW的基建成本)和发电成本降低20%-40%,以便与目前市场成熟的联合循环燃气轮机(CCGT)竞争。这不是容易实现的目标,需要对现今的发展进行某些彻底的反思,而且要抛弃某些概念。

下一代核电站应以新型设计为基础,而不仅仅是再次重复使用那些老概念,以满足“八项要求”。而这些新设计,必须比“足够安全”或“比火电更安全”好得多;以“轻易安全”(walk-away)[3]为特色,避免重大事故、堆芯熔毁、可能的放射性释放,以及潜在的核扩散。这种设计必须能像天然气一样便宜地发电,而且效率在CCGT范围内,高于55%。任何新设计都必须得到广大公众和监管机构的认可,能够迅速获得许可证。

不言而喻的是,下一代核反应堆必须是真的、全球减排的,无需“碳信用额”或“补偿”地参与竞争。

要想让新的核能为对抗全球变暖做出有意义的贡献,需要有个大规模的建设规划:从现在到2050年,每周需要有一个以上的新机组并网发电。核能产业距离迎接这一挑战还很遥远,政策制定者根本不会接受这个挑战,尽管政治上的认识在缓慢提升——对于全球能源和环境的未来,核能是“必须品”。

核工业要实现这一目标,就须采取务实的方法。必须避免追逐时尚和幻想,仅仅“懒惰地”断言“这个世界没有其他选择”是不够的。这既需要行动的意志,也需要大量的金钱,足以将意志转化为行动。欢迎诸如盖茨基金会等组织提供非营利性的资助,但这还不够;更需要私营部门和政府双方的投资。

创新是关键,重新评估过去假设的意图也是关键。很明显,为了应对面临的各种挑战,核工业需要新的反应堆设计方向。但也需要制造的反应堆,在规模和成本上能与不同市场的许多需求相匹配。小型模块化反应堆(无论最终意味着什么)是灵活应对市场需求的一种方法,但不是唯一的方法,而且可能不适合某些市场。不管规模大小,倾向于“放之四海而皆准”的解决方案,最糟糕。

要重振核电行业,不仅需要技术上的改变,还需要观念上的改变。说核电行业将不得不从零开始——几十年后,还有很多东西要建设——这种说法太过“强硬”。但公平地说,到2050年,一个成功的核电行业应从今天的水平发生根本性的转变。

罗姆尼·达菲和伊戈尔·皮奥罗,是资深的核能与核科学专家,又长期担任AMSE核工程与辐射科学杂志的编辑,依据的是多人经广泛调查研究编写的论文[4],又与MIT EI-2018专题报告[5]有多方面的共识,他们的技术观点,值得核工业技术与决策人士的审视与深思。

资料与注释:

1.Romney Duffey & Igor Pioro,WhatHappened to the Nuclear Renaissance?,ASME,Nov 11, 2019

2.核岛只是整个核电站或项目成本的一小部分,因此技术选择显然不是关键:对于注重核技术的人,这个结论很“新颖”。支持的论点见资料[4]中4. Economic and Competitiveness Issues for Nuclear Power Plants及相关参考资料。MIT(2018)报告支持的论点见资料[5]“执行总结”的以下观点:降低成本的努力不应集中在核供应国集团的设计或特定的反应堆技术上,而应集中在(a)改进整个核电站的建设(或交付到现场),以及(b)在此期间加快建设过程以降低利息成本的方法上;核电站设计而不是反应堆方面的技术进步,对降低资本成本有着最大的希望。

3.walk-away safety,用于核能,意味着“轻易”(实现,达到)安全。

4.Pioro,R. B. Duffey et al., Current Status andFuture Developments in Nuclear-Power Industry of the World, ASME J of NuclearRad Sci.,March 15, 2019

5.MITEI,TheFuture of Nuclear Energy in a Carbon-Constrained World,SEPTEMBER3, 2018




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