美国深度评估其核供应链发展风险

2022-05-05 16:22  来源:中国核工业    核供应链    核燃料  核电设备

2022年2月,美国能源部发布《核供应链深度评估报告》以及《维护供应链安全以大力推进清洁能源转型的综合战略》,详细阐述了美国核供应链的发展,明确了核供应链发展的战略举措和目标,旨在通过推进核供应链发展来重振核工业,助力实现2050年净零排放目标,维护美国在核技术方面的全球领先地位。


2022年2月,美国能源部发布《核供应链深度评估报告》以及《维护供应链安全以大力推进清洁能源转型的综合战略》,详细阐述了美国核供应链的发展,明确了核供应链发展的战略举措和目标,旨在通过推进核供应链发展来重振核工业,助力实现2050年净零排放目标,维护美国在核技术方面的全球领先地位。

一、美国核供应链发展面临的主要风险

1. 大型轻水堆供应链的风险

美国拥有93台在运核电机组(全部为轻水堆),数量位列全球第一,核电约占总发电量的20%。当前,美国依托国内外供应商建成一条服务于大型轻水堆的成熟核供应链,涵盖天然铀供给、铀转化与浓缩、核燃料制造、核电厂建设、运行及退役等核电全生命周期。在大型轻水堆供应链方面,美国面临五个风险。

(1)是天然铀本土产量低。美国拥有本土铀矿及开采能力,但由于铀的进口成本低廉,目前美国本土铀产量正处于历史最低水平,仅占全球铀产量的0.2%,所需的铀主要从加拿大、澳大利亚、俄罗斯、哈萨克斯坦和乌兹别克斯坦进口。

(2)是铀转化与浓缩依赖进口。目前美国本土唯一的铀转化厂是梅特罗波利斯铀转化厂。该厂于2017年停产,目前正准备重启,计划于2023年恢复生产。俄罗斯国家原子能集团、加拿大卡梅科公司、法国欧安诺公司和中国核工业集团有限公司是全球四大铀转化服务供应商,产能约占全球的74%。铀浓缩方面,美国拥有6家低浓铀供应商,其中一家位于美国本土。

(3)是核燃料循环体系尚不完整。美国本土建有3个核燃料制造厂,分别隶属于全球核燃料公司、西屋电气公司以及法马通公司,为全球供应核燃料。现有核燃料供应链可以满足在运及未来可能少量增加的轻水堆的燃料需求。乏燃料处置方面,受经济成本限制,美国目前采用开放式燃料循环,即在不经过后处理的情况下进行临时储存。目前美国尚无乏燃料长期综合处置方案,其国内核电厂临时储存有8.6万吨乏燃料,且正以每年2000吨的速度增长。新墨西哥州的废物隔离中试场主要储存国防相关的核废物,在尤卡山建造地下处置库的方案已终止,能源部尚未确定新的地下处置库选址方案。

(4)是核电建设原材料自给程度较低。重点关注需求量大或来源较单一的矿物及原料。铬、镍是制造核电厂管道系统的主要原材料。美国70%的铬、50%的镍依赖进口。南非和哈萨克斯坦占全球铬产量的50%以上,印尼、菲律宾和俄罗斯是世界三大镍生产国。锂是压水堆一回路酸碱值调控剂的主要原料,美国核电厂每年锂需求总量约为300千克。澳大利亚、智利和中国是世界三大锂生产国。美国电力研究院正在研究利用氢氧化钾替代氢氧化锂调控压水堆一回路酸碱值。

(5)是核电设备存在伪劣问题。大型设备方面,美国本土没有制造设施,主要依赖韩国与日本供应,如韩国斗山集团和日本东芝集团等。考虑到近40年来美国新建的大型反应堆中只有2座是AP1000反应堆,且尚无大规模新建计划,现有的大型设备供应链可以满足美国核电发展需求。小型设备方面,美国本土供应商具备制造小型锻件、管道及其他零部件的能力,但存在假冒伪劣零部件的问题。2022年2月9日,美国核管会在全美四大监管区域各选择了一家核电厂开展零部件合规性调查,结果显示第三监管区(美国中北部区域)的核电厂存在使用假冒伪劣零部件的情况,第一监管区(美国东北部区域)的核电厂先前发生的2次部件故障也是由于使用了不合规的零部件。此外,通用设备及部件如计算机、电子设备、混凝土、标准建筑材料等,由于广泛应用于各行各业,其供应安全性及可靠性与核供应链关系不大。

 

2. 先进反应堆供应链的风险

随着“先进反应堆示范计划”等计划的推进,美国正致力于在现有供应链基础上提升对四代堆、小堆、微堆等先进反应堆的供应与保障能力。先进堆的冷却剂、结构及燃料设计与现有轻水堆不同,因而需要多种特有的原料及燃料供应。美国在这一领域面临四个风险。

(1)是本国尚不具备高丰度低浓铀商业生产能力。美国多种先进反应堆设计均依赖高丰度低浓铀,但全球唯一的高丰度低浓铀供应商是俄罗斯原子能集团旗下的TENEX公司。《美国2021年财年综合拨款法案》明确要求能源部制定计划确保高丰度低浓铀的供应。当前,美国能源部正与森图斯公司合作,基于国内设施与技术生产少量的高丰度低浓铀。

需求预测方面,美国能源部研究显示,2030年前美国高丰度低浓铀的确切需求约为8~12吨/年,潜在的商业需求到2030年可能会超过100 吨/年。2030年后,随着先进反应堆的投运,高丰度低浓铀的需求预计会大幅上升,按照2050年美国核电装机容量达到2.5亿千瓦(目前约9500万千瓦)计算,届时高丰度低浓铀的需求将达到520吨/年,2050年前累计需求量约为3450~7175吨。

(2)是尚无先进核燃料批量化生产设施。BWXT公司已于2020年重启TRISO燃料生产线,年产量达数百千克;泰拉能源公司和X能源公司正在能源部资助下分别建立金属燃料和TRISO-X燃料的商业生产设施;熔盐堆燃料和其他先进反应堆燃料目前尚无批量化生产设施。

(3)是先进堆原材料供应不足。美国正在重点关注铬、镍等核电通用建设原料之外的特殊矿物及原料。石墨是使用三层各向同性(TRISO)燃料反应堆的必要堆芯材料。当前,美国的天然石墨完全依赖进口,国内没有核级石墨部件生产商。钇可用于先进反应堆的慢化剂材料,同样完全依赖进口,其中大部分来自中国。氦、核级钠、熔盐可分别用作气冷堆、钠冷快堆和熔盐堆的冷却剂。美国拥有本土氦供应链,但产量有限;钠本身储量充足,但缺乏具备大规模核级钠加工能力的供应商;锂基或氯基熔盐目前只能实现小规模实验室生产,尚无大规模商业化生产能力。

(4)是推进在工厂而非核电厂场址建造核电设备。美国能源部表示,大多数先进反应堆的容器将小于现有轻水堆,因此对大型设备供应链依赖度不高。此外,美国致力于增加工厂制造过程在先进堆建设中的占比,减少场址建设过程,从而降低部署成本。

3. 核供应链发展面临的主要风险

(1)是关键原料高度依赖进口。铀资源方面,美国的天然铀供应、铀转化与浓缩能力高度依赖俄罗斯等国,尽管美国正计划逐步恢复本国铀转化能力并建立本土高丰度低浓铀供应链,但短时间内一旦全球铀供应受阻,美国将无法快速提升产能以应对供应中断。关键矿物方面,美国超过50%的铬、锂、镍和100%的石墨、钇、铟、铌依赖进口。

(2)是核能市场萎缩。强大且不断增长的核能市场是维持和发展核供应链的基础。当前,较低的天然气价格以及可再生能源补贴导致美国核电价格较低,多数核电厂盈利能力不足。自2012年以来,低电价、老化设备维护需求、冷却水对生态环境的影响等因素已导致美国12台核电机组退役,此外还有3台机组正计划退役。

(3)是人才短缺。核行业需要大量的工作人员开展初始设计、项目规划、建造、运营和退役工作。目前美国核行业许多工作人员都临近退休年龄,因而核行业面临熟练技工短缺问题,这将阻碍行业未来的发展并导致供应链各环节成本上升。

二、美国核供应链的发展战略及目标

1. 基本战略

核能是美国目前最大的清洁能源来源。《维护供应链安全以大力推进清洁能源转型的综合战略》公布了七项旨在增强核能等清洁能源供应链的安全性及韧性、促进行业蓬勃发展的基本战略,具体内容如下。

(1)是提升原材料的国内供应能力。核心是加强关键矿物的国内生产能力,提高对关键矿物全球运输与分配的国际话语权。具体措施包括提高国内采矿的审批许可效率;推进环境可持续的矿物提取、加工与精炼技术的创新;改进矿物相关领域的全球标准;尝试通过国际能源署等组织,建立能源转型关键材料的自发储备多边协调机制等。

 

(2)是扩大国内制造能力。核心是加大对清洁能源领域制造业的投资与支持,建立区域产业集群,加速提升美国制造业能力。具体举措包括扩大清洁能源转型领域制造项目的范围及规模;充分利用国外投资促进美国制造业发展;促进政府与当地制造行业的沟通,建立清洁能源区域产业集群等。

(3)是建立多元、可靠的国际供应链。核心是向私营进出口企业提供支持以完善国内供应链,加强全球供应链的可追溯性。具体措施包括加大对美国进出口企业的财政支持;推动可追溯性标准的采用及实施等。

(4)是通过明确的市场刺激信号扩大清洁能源部署。核心是扩大政府对清洁能源产能及产品的需求,提高市场信心,带动相关供应链发展。具体举措包括制定原材料联邦采购清单,并将该清单作为与美国工业界和外国政府开展清洁能源合作的基础;增加对环境可持续型运输燃料及供应链的需求;研究联邦机构签署超过10年的清洁能源服务购买协议的可行性等。

(5)是改进废物管理工作。核心是加强关键原料的回收,由政府支持基于再生材料的产品的供应及市场化,并持续采购这类产品。

(6)是吸引熟练技工进入本国清洁能源领域工作。具体举措包括:加强政府、工会及企业的交流和合作,为工人提供具有竞争力的薪酬,并将政府为能源工业部门提供的资金用于支持劳动力标准制定和工会运转。

(7)是加强对供应链的战略与决策研究。核心是提高对供应链的风险、依赖性、材料可用性、市场动态等关键因素的预测及把握。具体举措包括设立制造与能源供应链办公室,完善供应链相关数据库建设,提高核领域的建模分析能力;量化评估供应链对清洁能源技术的经济、环境、社会和人权影响;基于《迈向2050年净零排放的长期战略》开展深入研究,为美国碳中和及经济领导战略提供信息支撑;制定能源领域的软件、硬件、虚拟平台、虚拟服务及数据安全国家标准、指南及要求。

2. 具体发展计划

(1)是制定《核废物处置综合战略》,解决乏燃料临时贮存、永久处置及相关运输等问题,该战略前期将聚焦于乏燃料临时贮存设施的选址工作。同时修订《核废物政策法案》,允许能源部顺利实施该战略。

(2)是全面实施《核能创新能力法案》和《核能创新与现代化法案》,推动私营部门与国家实验室合作演示新型反应堆概念设计,确保短期内新一代核能技术能够成功、高效地获得许可。

(3)是执行能源部“先进反应堆示范计划”及“高丰度低浓铀供应项目”,支持相关技术的商业部署。

(4)是投资建设快中子辐照堆、通用测试反应堆等研发基础设施。

(5)是向美国国防部、国家航空航天局、能源部等机构提供研发资金,加速部署创新型核能系统。

3. 发展目标

短期目标(21世纪20年代中期以前)是建立安全的国内高丰度低浓铀供应链;完成“先进反应堆示范计划”。

长远目标(21世纪20年代中期以后)包括:大型反应堆方面,保持现有轻水反应堆继续运行并延长运行许可期限;完成可能的大型轻水反应堆新建计划。小堆及微堆方面,建设并运行模块化小堆、微堆;利用退役煤电厂的设施基础建设小堆,实现电厂重新发电;为联邦设施、军事基地与机动行动、偏远地区与岛屿、太空任务部署小堆及微堆。核能综合利用与出口方面,利用核能将碳转化为塑料等高附加值产品;利用核能供热,核能制氢、氨及合成燃料;扩大美国先进核技术出口。

三、对我国核供应链发展的启示

经过60多年的发展,我国已具备完整的核工业供应链。为推进由核大国向核强国转变,我国未来应持续对供应链的薄弱点和风险点进行排查,加大创新力度,打造自主可控、安全可靠的核供应链。

增强供应链韧性,维护国家能源安全。近期俄乌冲突或将导致全球核供应链发生重大改变,供给格局面临重塑。因此我国有必要对核供应链进行评估,辨析“孤源”、“断点”、“梗阻”等供应链风险,加快自主创新步伐,并探索建立关键原材料的战略储备机制,更好地应对全球核工业领域突发状况对我国核能供应链可能造成的冲击。需注意的是,建立自主可控的核工业链并非意味着闭关自守,而是要充分发挥国内完整供应链的优势,进一步加强对外合作,主动开拓国际市场,拓展更加多样、更加稳定的供应渠道,在保障本国供应安全的同时为提升全球核供应链稳定性做出贡献。

重视谋划布局,创造良好的外部发展环境。除高度重视供应链自身各环节的建设外,我国还应提前谋划,统筹布局,为供应链的发展创造良好的外部环境,如为核能市场规模扩大、核行业人才培养、技术创新等提供政策支持。目前,我国正在“积极安全有序发展核电”,在建核电装机容量居世界第一,在运核电装机容量居世界第三。在不断扩大国内核电市场规模的同时,我国还应充分利用自身优势,以需求为导向,关注其他国家能源发展规划,适时推动我国核工业“走出去”,通过扩大海外市场规模带动供应链发展。



图为技术

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