美国核能发展概况

2022-05-30 13:27  来源:嘿嘿能源heypower    美国核电  土耳其角核电站  瓦茨巴核电站  桃花谷核电站  北安娜核电站  VVER-1200  SMR

美国在近30年内几乎没有建造新反应堆,2020年后不久预计将有两个新机组上线。自2007年年中以来,美国国内申请了16个许可证,可建造24个新核反应堆。


1、在运反应堆

2019年,美国核能发电量为8430亿kWh,约占总发电量的19%。

美国在近30年内几乎没有建造新反应堆,2020年后不久预计将有两个新机组上线。自2007年年中以来,美国国内申请了16个许可证,可建造24个新核反应堆。

美国几乎所有的核电都来自1967年至1990年间建造的反应堆。

从1977年到2013年,美国一直没有新的核电项目。主要是因为多年来,天然气发电被认为在经济上更具吸引力,而且由于反对派经常延长1970年代和1980年代的施工进度,再加上1979年三哩岛核事故后对核安全担忧的加剧,核电建设一直止步不前。

2007年,美国田纳西河谷管理局(TVA)决定开始新核电机组建设。

2016年,美国国内启动了另一座压水堆——瓦茨巴(Watts Bar)核电站2号机组。

尽管30多年来新建工程几乎停滞不前,但美国对核能的依赖却在增长。

1980年,美国核电站发电量为251 TWh,占全国总发电量的11%。

2019年,核能发电量已增至809 TWh,占总电力的近20%,全球核能发电量的30%以上。

增长的大部分来自于1970年代末和1980年代上线的47座反应堆,这些反应堆在1977年之前全部获准建造,使美国的核能发电能力增加了一倍多。

通过改进现有核电厂的换料、维护和安全系统,美国核工业在电厂利用方面也取得了显著的进步。

平均核电成本已从2012年的42美元/ MWh降至2019年的30美元/ MWh。

2、反应堆寿命延长和管理

1974年,美国成立核管理委员会(NRC),负责核工业的管理,尤其是反应堆、燃料循环设施、材料和废物(以及核材料的其他民用)。

2000年3月,NRC采取了一项历史性举措,将卡尔弗特克利夫斯(Calvert Cliffs)核电厂两台机组的运行许可证再延长20年。

2019年3月,NRC更新了锡布鲁克(Seabrook)核电厂的许可证,将该机组的运行时间延长了20年,至2050年。

这使得美国更新许可证的核反应堆数量达到94个,其中几个已经关闭。

因此,几乎所有的美国动力反应堆都有可能获得60年的运行许可,业主承担主要的基建工程,以在30-40年左右对其进行升级。

执照续期过程通常需要花费1600万至2500万美元,此类续期的程序,包括公开会议和彻底的安全审查,程序手续都比较完善。

最初的40年期许可证,基本是以20年为增量续期,因为40年期更多的是用于资本摊销,而不是暗示反应堆的设计仅适用于该运营寿命。

这也是一项保守的措施,不过自那以来的经验已经确定并解决了限制电厂寿期的因素。

NRC目前正在考虑将经营许可证延长60年至80年的申请,以及随后的许可证续期(SLR)计划。

截至2021年10月:


美国桃花谷核电站(图源:网络)

批准的反应堆(运营到80年):土耳其角(Turkey Point)核电站3&4号机组、桃花谷(Peach Bottom )核电站2&3号机组、萨里(Surry)核电站1&2号机组。


北安娜核电站(图源:网络)

正在审查的反应堆:北安娜(North Anna)核电站1&2号机组、波因特海滩(Point Beach)核电站1&2号机组、奥科尼(Oconee)核电站1, 2&3号机组。


布朗轮渡核电站(图源:网络)

预计通过的反应堆:布朗轮渡(Browns Ferry)核电站1, 2&3号机组、不伦瑞克(Brunswick)核电站1&2号机组、卡拉威(Callaway)核电站1号机组、卡托芭(Catawba)核电站1&2号机组、H.B罗宾逊(H.B.Robinson)核电站2号机组、麦克奎尔(McGuire)核电站1&2号机组、哈里斯(Harris)核电站1号机组、圣卢西(St.Lucie)核电站1&2号机组。

2020年10月,杜克能源表示,他们打算为其所有的11座反应堆寻求第二次20年的续期更新。

许可证延长至60年及以上意味着,可以进行重大的中年翻新,例如更换蒸汽发生器以及升级仪表和控制系统。

电厂主动部件(如泵和阀门)的可操作性受到持续审查,需要评估被动部件是否老化,这些老化可能会削弱它们的使用功能。

美国能源部(DOE)、电力研究所(EPRI)和美国机械工程师学会(ASME)都有针对这一问题的研发计划。

NRC的反应堆监督和评估过程产生了19个关键领域(14个电厂安全指标、两个辐射安全指标和三个安全指标)电厂绩效的公开信息。

每季度在NRC网站上报告每个指标的绩效,根据其是否正常、是否受到监管监督、是否引发监管行动或是否不可接受(在这种情况下,工厂可能会被关闭)。

在工业方面,1979年三里岛事故后成立了核电运行研究所(INPO),以建立性能标准,定期对单个电厂进行测量。通常每18至24个月对每个成员工厂进行一次检查。

2011年3月,日本福岛核电站发生事故后,外部认识到,反应堆被淹没,急救行动不足很容易加剧事故,对此,美国核工业制定了“灵活(FLEX)”事故应对战略。在全国拥有61个中心和2个国家中心,共同提供在24小时内应对全国任何地方核电站事故的能力。

3、核工业发展


扬基·罗核电站(图源:网络)

美国是核电发展的先驱。

美国西屋公司设计了第一个完全商业化的压水堆——扬基·罗(Yankee Rowe),这是一个容量为250 MWe的机组,于1960年启动,1992年运行。

与此同时,阿贡国家实验室开发了沸水反应堆——德累斯顿(Dresden)1号机组,也是通用电气设计的第一座商业工厂(250 MWe),于1960年启动。

1957年至1963年,沸水原型堆Vallecitos运行。

到20世纪60年代末,美国开发容量超过1000 MWe的压水堆和沸水堆反应堆机组,一项重大建设项目正在进行中。

实际上,这些仍然是美国商业化建造的唯一类型。

1979年三里岛事故后,美国的核开发遭受了重大挫折,这实际上也验证了西方反应堆非常保守的设计原则,在事故中没有人受伤或暴露于有害辐射。

不过,还是有许多订单和项目被取消或暂停,核建筑行业陷入了20年的低迷。

然而,到1990年,已有100多个商业动力反应堆投入使用。其中大多数是由受监管的公用事业公司建设的,这些公用事业公司通常以国家为基础,这意味着它们将资本成本(例如,延迟之后的资本成本)纳入其费率基础,并将其与电力销售进行摊销。

他们的消费者承担风险并支付资本成本。随着一些州放松电力管制,股东承担任何资本超支的风险,电力被出售到竞争激烈的市场。

从操作上看,从20世纪70年代起,美国核工业极大地提高了其安全性和操作性能,到本世纪初,它已跻身于世界领先行列,平均净容量因数超过90%。

能够取得这一成绩,主要由于随着1992年《能源政策法案》的通过,美国工业继续放松管制。

1998年后,变化加速,包括影响核电厂所有权和管理的兼并和收购。

4、设计认证

为提高美国发电能力,美国政府和工业界密切合作,为先进的三代反应堆进行设计认证。

核管理委员会(NRC)的设计认证表示,在彻底检查是否符合安全要求后,可以在美国的任何地方建造通用类型的反应堆(如西屋AP1000)。通过现场特定许可程序并获得施工和运行许可证,然后才能开始施工,15年后需要更新设计认证。

目前获得美国设计认证设计包括:

西屋AP1000,第一个获得认证的三代+反应堆。这是之前认证的西屋AP600的放大版,采用模块化设计,将施工时间缩短至36个月。四个在中国运营,两个在美国建造。

GE日立1300-1500 MWe先进沸水反应堆(ABWR)。日本目前有多个ABWR正在运营和建造中。东芝参与了一些项目建设,最近东芝在美国大力推广了该设计。

东芝和GE日立版本都需要从2012年起更新其设计认证。东芝于2016年年中撤销了其设计认证续期申请。

GE日立的经济型简化沸水反应堆(ESBWR),总功率1600 MWe,具有被动安全功能,由ABWR开发。

GE日立于2005年8月提交了申请,2011年3月通知了设计批准,2014年9月进行了设计认证。

2015年5月,费米(Fermi )核电站3号机组获得了第一个施工和运营许可证(COL),2017年6月,北安娜核电站3号机组获得了第二个施工和运营许可证。


韩国新古里核电站(图源:网络)

韩国APR-1400反应堆,自2016年起在韩国运行,自2020年起在阿拉伯联合酋长国运行。2013年10月,韩国水电和核电公司向NRC提交了设计认证申请,2015年3月,NRC接受了修改后的申请。最终安全报告于2018年9月发布,2019年5月获得设计认证。

NuScale多用途小型模块化反应堆(SMR)示范装置,该反应堆为爱达荷州国家实验室计划的60 MWe整体式压水堆。根据西方核倡议,预计随后将在西方各州部署12个模块发电厂。

2017年,NRC接受了NuScale的设计认证申请。2020年8月,NuScale完成了NRC设计认证的第六个也是最后一个阶段,9月,NRC发布了50 MWe版本的标准设计批准,这是第一个获得该认证的SMR。

2013年,NuScale获得了能源部高达2.26亿美元的设计支持,并于2017年9月申请了第二部分贷款担保。该公司正在寻求对77 MWe版本的单独批准。

预计将接受美国设计认证的反应堆设计:

Rosatom表示,俄罗斯VVER-1200反应堆目前正在俄罗斯新沃罗涅日(Novovoronezh)核电站2号机组和列宁格勒(Leningrad)核电站2号机组运行,可能会通过俄罗斯原子能海外公司提交给美国设计认证。

以前接受美国设计认证的反应堆:


中国台山核电一期工程(图源:网络)

美国进化动力反应堆(US EPR),是阿海珐EPR的改版,使欧洲设计与美国电力频率一致。该类型主要发展是通过了UniStar核能认证。

该申请于2007年12月提交,设计认证规则预计在2015年年中之后,由于数字仪表和控制系统的复杂性而延迟。阿海珐随后推迟了NRC时间表,并于2015年3月无限期暂停了申请。

1600 MWe的EPR在芬兰、法国、英国有项目正在建造中,中国台山核电站已经开始运行。


US-APWR设计(图源:网络)

三菱US-APWR-1700设计,是从日本敦贺计划的1538 MWe反应堆设计发展而来。该申请于2007年12月提交,认证预计于2016年2月完成,但三菱将NRC的时间表推迟了“几年”。2014年10月,几乎相同的EU-APWR获得了欧洲认证。三菱公司为科曼奇峰项目提出了两个US-APWR反应堆,但三菱公司已退出该项目。

一些小型模块化反应堆(SMR)设计正在向NRC申请设计认证或施工许可证和运行许可证:


BWRX-300(图源:网络)

GE日立核能于2019年12月向NRC提交了BWRX-300的许可申请文件。该公司表示,该设计“利用了经NRC认证的ESBWR的设计和许可基础”,并且“代表了通用电气自1955年开始开发核反应堆以来最简单但最具创新性的BWR设计”


Holtec SMR-160 PWR示范机组(图源:网络)

Holtec国际公司于2020年11月宣布,已开始与NRC进行许可程序。在DOE的支持下,提议在萨凡纳河现场建设一座160 MWe Holtec SMR-160 PWR示范机组(带外部蒸汽发生器),并可能申请施工许可证,或在加拿大申请类似许可证。

2016年9月,三菱电力产品公司及其日本母公司成为该项目的合作伙伴,负责仪控设计并协助许可。2017年,SNC Lavalin加入该项目。南卡罗来纳州和纽胡布州也支持这一提议。

南卡罗来纳州电气与天然气公司正在评估X-能源的Xe-100球床SMR(50 MWe,一种高温气冷反应堆)。


极光核电站概念图(图源:网络)

自2016年开始进行申请前谈判后,奥克洛公司(Oklo Inc)于2020年3月提交了其1.5 MWe热管微反应堆的COL申请,但并未首先寻求其设计认证。

NRC于2020年6月接受了该申请。奥克洛公司计划在爱达荷州国家实验室的一个场地建造第一个极光(Aurora)核电站,DOE已经为其颁发了场地使用许可证。

2014年2月,NRC表示,假设小型反应堆为轻水反应堆(PWR或BWR),其授予设计认证的最乐观方案为41个月。



图为技术

深圳核博会

中国核电网


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