周杰:关于日本核电新政的分析与思考

2023-04-18 09:40  来源:中能传媒研究院    核电延寿  日本核电  小堆  快堆  SMR  高温气冷堆  核聚变

在福岛核泄漏事故12周年之际,日本核电政策发生了重大转变。将自福岛核事故发生以来日本政府长期坚持的“尽可能降低核电依存度”原则,转变为“最大限度利用核电”的新方针。加速存量核电重启、突破核电延寿年限上限和开发建设更先进安全的新一代反应堆,成为日本重振核电的三大新政。


关于日本核电新政的分析与思考

周杰

(国际清洁能源论坛(澳门)秘书长、武汉新能源研究院研究员)

在福岛核泄漏事故12周年之际,日本核电政策发生了重大转变。将自福岛核事故发生以来日本政府长期坚持的“尽可能降低核电依存度”原则,转变为“最大限度利用核电”的新方针。加速存量核电重启、突破核电延寿年限上限和开发建设更先进安全的新一代反应堆,成为日本重振核电的三大新政。

2022年8月,日本首相岸田在绿色转型执行会议中要求重新研究核电政策,会上提出了核电重启全国总动员、延长核电机组运行期限、开发和建设新一代创新反应堆、加快核废物处理进程等议题。12月23日,日本政府批准的“今后原子能政策的方向与行动指南”大纲明确提出,首先在废弃核电站上改建成“新一代反应堆”,同时将核电运行期限延长至60年以上的方案。2023年2月10日,日本政府批准的“绿色转型基本方针”提出,核电具有不会产生二氧化碳排放、大功率稳定供电的特点,可以兼顾稳定供电和实现碳中和两大政策目标,因此,必须以确保安全为最优先原则,积极推进核电机组重启,同时在严格的安全审查前提下,反应堆最长60年的运行期限可扣除因新安全基准合规审查而停运的时间。此外,强调开发和建设具有新安全功能的新一代创新型反应堆,对于推动绿色转型具有重大的意义。2月14日,日本原子能委员会重新修订了《关于原子能利用的基本想法》,重申了政府绿色转型方针所提出的发展核电的方向和重点措施。2月28日,日本内阁根据上述政策方针批准了一揽子涉及核电政策法规的修订案,包括《原子能基本法》《反应堆管制法》《电力事业法》《核电站乏燃料处理处置基金征收法》等,这些法案的修订案拟一揽子提交本届国会审议通过。由此可见,“绿色转型基本方针”的出台标志着日本政府自福岛核事故以来的核能政策发生了重大的“积极转变”。

一、加速存量核电重启

东日本大地震发生之前,日本共有54台核电机组,全国28.6%的电力来自核能。2010年6月,日本政府出台的第三个能源基本计划甚至提出,到2030年核电占比目标要达到53%。但2011年福岛核事故发生之后,日本核电曾一度全部关停,在能源结构中的地位发生了急剧变化。2021年度日本核电占比仅为6.9%。而且事故发生后报废的商业堆已达到了21个,日本在役核电装机容量锐减。

截至2022年12月底,日本核电机组存量总共有33台,装机容量为33.083GW。其中经当地政府同意后重启的机组仅有大饭(关西电力公司)、高滨(关西电力公司)、美滨(关西电力公司)、玄海(九州电力公司)、川内(九州电力公司)、伊方(四国电力公司)6座核电站的共10台机组,装机容量为9.956GW,这些反应堆集中在西日本地区,均为“压水堆”。与福岛第一核电站同为“沸水堆”的女川2号机组(东北电力公司)、柏崎刈羽6、7号机组(东京电力公司)、东海第2机组(日本原子能发电公司)、岛根2号机组(中国电力公司)以及压水堆的高浜1、2号机组(关西电力公司)等7台机组(7.109GW)虽然符合新出台的安全标准,但因为地方政府及居民的强烈反对,重启工作迟迟未获进展。目前有8台机组(8.245GW)正在安全合规审查之中,另外还有8台机组(7.773GW)尚未提交审查申请。在建核电机组有3台,岛根3号机组(1.373GW)预计2024年完工,大间机组(1.383GW)预计2029年完工,但投运日期不明。东通1号机组(1.385GW)的建设因福岛核事故中断,2030年之前不可能建完。

长期以来,日本核电重启所面临的主要壁垒表现在三个方面:第一是根据新安全基准机组升级改造的成本增高。加强安全的升级改造每台机组费用平均新增2000亿日元,相当于建设成本增加了三分之一,采取新安全措施新增成本为14.5万日元/kW,均摊发电成本增加1.3日元/kWh。第二是安全合规审查流程过长。已批准重启的10台机组,从申请到重启平均花了4年多时间,最长的花了6年半的时间;已通过审查但尚未重启的7台机组,审查时间最短的是4年零8个月,最长的是6年零9个月,前后加起来已历经9年多时间,目前明确重启日期的核电机组仅有3台,其它仍处于待机状态。目前仍在审查中的10台机组,平均审查期已经过8年零5个月,最长的已经过9年零9个月,至今仍遥遥无期。新建的核电机组通过新安全基准合规审查至少也需要5年时间才能完成,以在建即将竣工的岛根3号机组为例,从选址勘察、安全审查、驻地政府同意到建设总计花了16年的时间。第三是核电站所在地的反对阻挠。根据有关规定,核电机组通过安全合规审查后须与当地政府签署安全协议后才能正式重启。日本地震、火山等自然灾害频繁,特别是在经历过福岛核灾害后,民众几乎“谈核色变”,多数居民反对在当地建有核电站。柏崎刈羽机组因防止恐怖袭击措施不完备,东海第二机组因居民避难计划未落实都被当地政府拒绝。甚至有当地民众诉之于法律阻止核电重启。但这一年来民意出现了很大的变化,根据朝日新闻社2022年2月对于核电重启的社会舆论调查,赞成者占38%,反对者占47%,福岛核事故以来反对者数量首次跌破50%。而今年2月的舆论调查结果更是出现了反转,赞成者占51%,反对者占42%,赞成者首次超过了反对者。

因此,核电新政要求提高审查效率、缩短审查时间、加快推进核电重启。根据“绿色转型基本方针”的计划,日本年内将重启通过新安全基准合规审查的全部17台机组;到2025年重启新安全基准合规审查中的10台机组(含2台在建机组);到2030年再争取重启尚未提交审查申请的9台机组(含1台在建机组)。

二、突破核电机组延寿年限上限

2012年日本修订的《反应堆管制法》制定了“运营期限延长许可制度”,这一制度规定核电站的运行期限为40年,申请延寿仅限一次,最多可延长20年。即规定了核电站运行上限为60年。但此次新政明确反应堆因安全合规审查及司法判决原因而停运的时间可不计入运行期限。由于部分核电机组因此而停摆已长达10多年之久,因此核电机组寿期至少可运行70年以上,实际上核电机组寿期不再封顶。但在“反应堆老化管理审查制度”上,原子能管制委员会规定机组运行30年后,每隔10年须经老化审查合格后方可运行。

从全球33个国家的431台核电机组运行情况来看,目前在运的15个国家109台机组超过40年,约占25%。超过50年的在运机组约有4个国家的15台机组。美国在运的92台机组中的50台机组超过40年,其中有6台机组还获得了80年运行期限的许可。法国未设定运行期限规定,在运的56台机组中的20台机组超过40年,每10年进行一次安全审查。从日本来看,日本现有的核电站大多已接近使用年限,在役核电机组平均堆龄为33.1年,33台机组中已有17台超过了30年,其中4台超过了40年,已重启的机组中有4台到2025年将满40年。目前已有4台机组(3.578GW)获得60年延寿许可,另有4台机组(3.520GW)正在申请延长之中。

日本2021年10月出台的第六个《能源基本计划》坚持2030年核电占比20%~22%的目标不变。但这一占比目标至少要保证30台左右机组的重启才能实现。从实际情况来看,如果核电运行限定40年期限,在没有新建核电的情况下,到2030年只有27台机组(27.31GW)在役,到2040年直接降至8台机组(9.56GW),到2050年就仅剩下3台机组(4.14GW),无疑这是一条日本核电的死亡之路。如果核电机组运行延长至60年,到2030年包括在建在内的将有36台机组(37.22GW)在役,2040年将有32台机组(33.65GW)在役,2050年将有23台机组(23.74GW)在役,但到2060年就剩下8台机组(9.56GW)在役。如果容许扣除安全审查停堆时间,到2050年则仍可以保留31台机组的存量。

根据新政的重启计划安排,我们设定三种情形来进一步模拟计算。第一种情形设定为17台机组重启,即现已完成重启的10台加上已通过新安全基准合规审查的7台;第二种情形设定为27台机组重启,即在第一种情形基础上再加上仍在安全合规审查中的10台;第三种情形设定为36台机组全部重启,即包括未提交合规审查的9台机组。尽管日本2050年的核电占比规划尚不十分明确,但根据日本绿色增长战略所设定的核电与火电占比合计达到30%~40%的目标,可以假设性推断核电最低占比为20%左右。再根据2030年和2050年分别为0.94万亿kWh和1.3万亿kWh的全国总发电量规划,按照80%的发电利用率,可以计算出核电装机容量到2030年和2050年分别要达到29.5GW和37.1GW才能符合核电占比目标要求。

如图1所示,按照60年的运行期限模拟计算,到2030年装机容量只有第三种情形才可以达标,还有6.3GW余量,而第一种情形和第二种情形则分别缺少12.4GW和1.9GW。到2050年则没有任何一种情形能够达标,装机容量分别缺少27.1GW、18.9GW、11.7GW。


图1 三种不同情形下的日本核电装机容量预测

如果取消运行年限上限的规定,我们将第三种情景的运行期限设定为60+α年,即60年加上因新安全基准合规审查而停运的时间α。如图2所示,在60+α的条件下到2050年装机容量仍然相差8.4GW。因此,我们可以从中看出,不通过新建或扩建将难以保证日本既定规划目标的实现。其实日本政府是打算通过开发建设新一代反应堆来弥补缺口。尽管日本政府避免触及核电新建或扩建的敏感话题,但福岛第一、第二核电站退役的14台机组装机容量正好是8.3GW,由此可以推断出日本新一代核电装机容量规划大概在8.3GW左右。在此基础上如果考虑60+α情形,到2050年核电装机就可以维持30台左右的存量,从而保障核电占比远期目标的实现。


图2 60+α情形下的日本核电装机容量预测

三、开发建设新一代反应堆

2021年6月,日本的“绿色增长战略”将核电列为14项重点创新技术之一。2022年7月,日本公布了“创新堆开发技术路线图”,新一代反应堆的开发建设旨在创建本质上更安全、更高效的核电站,这些反应堆可能有助于开发更可持续的核能,也可用于供热、制氢以及工业应用等领域,该路线图提出了创新型轻水反应堆、小型轻水堆、快堆、高温气冷堆和聚变堆等5种堆型的开发和发展规划。

1.创新型轻水反应堆。日本现在的反应堆以二代核电技术为主,没有三代反应堆,只有4台三代+的ABWR(改进型沸水堆)在运,包括柏崎刈羽6、7号机组,浜冈5号机组,志贺2号机组,还有在建的岛根3号机组、大间机组、东电东通1号机组均采用ABWR。日本同属三代+的反应堆还有APWR(改进型压水堆),但目前没有在运机组。在沸水堆基础上推出的创新型反应堆有三菱重工的SRZ1200(120万千瓦),东芝的iB1350(135万千瓦)等,在压水堆基础上推出的创新型反应堆有日法合作的APWR和EPR结合体ATMEA等。这些创新型轻水反应堆最大的看点是增加了非能动安全系统设计,设置了堆芯捕集器,以防止堆心熔毁,实际上就是在现有轻水反应堆基础上提高了安全性,并非新一代核电技术。其优势是可充分利用现成技术,产业链基础完善,可尽快投入开发使用,因此日本计划2035年左右开始投运。

2.小堆。小堆是指30万kW以下小型模块化核反应堆,具有工期短、成本低、更易冷却等优点。日本政府在第六个《能源基本计划》中明确表示,将推进模块化小堆技术研究、开发和示范的国际合作。日本小堆主攻方向着眼于本国技术成熟的小型轻水堆。三菱重工开发的小型轻水堆输出功率从3万kW到30万kW不等,可用于发电和船舶动力,最小的微堆输出功率仅为500kW,使用了高导热石墨基材料,无需液体冷却剂即可从堆芯中散热,反应堆堆芯和所有其他设备将被密封在密封的胶囊形容器中,可用于备用电源;东芝开发了适用于分布式电网的微型模块化反应堆MoveluX,输出功率为3000~4000kW,可以跟踪电网调节负荷,压力容器地下布置,创新的一体化设计消除了一些事故工况,在不更换燃料的情况下运行大约20年。日本计划2045年前建设运营。但目前日本国内有关小堆的安全合规标准还没出台,实际落地还有很大困难。因此,日立GE基于沸水堆技术开发的“BWRX-300”,在2030年前将首先在加拿大投运。

3.快堆。日本从上世纪70年代开始进行“常阳”实验快堆和“文殊”原型快堆的开发和建设。由于快堆安全事故不断,加之福岛核事故发生后的核电政策紧缩,2016年12月,日本政府就决定废弃“文殊”,同时确定新的快堆开发方针,其根本任务就是为了实现高放废弃物减量化,降低有害度,有效利用铀资源,提高核燃料循环利用的效果。2018年12月,政府制定了三步走的快堆开发“战略路线图”。第一步到2023年皆在促进多种技术路线竞争,为遴选出技术成熟和经济性好的堆型做铺垫。2022年12月,日本修订了“战略路线图”。从2024年起快堆开发将进入第二阶段,即启动示范反应堆的概念设计,以钠冷快堆为主,在综合比较轻水快堆和熔盐快堆的基础上确定示范堆选型。2028年之后进入第三阶段,即开发建设示范堆,并计划于2045年开始运行。由于日本国内新建核电困难重重,“文殊”废堆后,日本研发重心转向参与法国先进钠冷科技工业示范堆“Astrid”的快堆计划;2019年又参与了美国的钠冷快堆多用途试验堆(VTR)的研发;2020年又与法国合作共同开发一种罐式钠冷快堆;2023年日本又携手美国在怀俄明州计划建造一座发电功率为345MW的快堆,并计划在2028年投运。

4.高温气冷堆。日本之所以看好高温气冷堆是由于其具有供热、制氢等用途广泛的特点,可有效支撑其氢能社会的国家战略。日本原子能研究开发机构(JAEA)在茨城县大洗町运营的实验堆“HTTR”功率为30MW,1998年达到临界,2004年反应堆出口温度达到950摄氏度,创世界之最。福岛核事故发生后长期停运,2021年7月重启。2022年又开始进行供热、制氢试验。三菱重工基于此技术开发的高温气冷堆,产生的水蒸汽的温度最高达到950摄氏度,制氢能力有望达到每小时28万Nm3,比一般的高温气冷堆高2倍。目前,日本正在与英国、波兰、美国和其他国家的高温气冷堆项目进行合作。在国际市场竞争中,中国的球床反应堆比日本制造的块式反应堆尽管更有价格优势,但性能上还是日本的技术更加领先。日本示范堆计划在2035年左右投运。

5.核聚变堆。可控核聚变的前景对资源贫乏的日本来说尤为重要。日本积极参与和引领国际热核聚变ITER项目,日本参与的工程师不仅数量最多,而且承担的技术课题也最多。世界各国核聚变实验装置最多的是采用超导托卡马克方式。上世纪80年代,日本便拥有全球4座大型托卡马克之一的JT-60U,它是世界上第一台实现聚变能量倍增系数Q超过1的托卡马克装置。日本在此基础上又联合欧盟打造新一代的先进聚变反应堆JT-60SA,这是迄今为止全球最大的核聚变实验装置,计划2023年夏季开始正式运行。世界各国有15个核聚变装置采用螺旋型方式,其中设在日本国家核聚变科学研究所的“LHD”螺旋型核聚变装置为规模最大;全世界还有11个核聚变装置采用激光方式,日本大阪大学激光科学研究所也设有“激光Ⅶ号”核聚变装置。2023年2月18日,日本出台了第一个“核聚变国家战略”方案,提出要重点培育核聚变产业,促进国际市场开发。根据ITER项目的开发进度计划,2025年同步开始进行约束和维持等离子体稳定性的实验,2035年同步开始进行氘氚燃烧实验,2050年日本将正式建设和运行核聚变原型堆。

四、对日本核电新政的思考

从日本核电新政出台的背景来看,俄乌冲突爆发之后,世界油气市场价格全面飙升,日本能源供应紧张,电力供给形势严竣,近一年来日本国内居民用电和工业用电价格平均已分别上涨20%和40%;另一方面,全球各个国家和地区作为应对气候变化的重要一环,相继调整核电政策,加快核电站建设布局,而日本核电利用率却长期保持在低水平,核电站重启面临重重困难。简言之,日本在应对气候变化、能源安全危机的双重压力下,不得不重新采取积极的核电发展政策。

综上所述,首先加快既有核电重启是重振核电新政的关键。在已通过新安全合规审查但尚未重启的机组中,柏崎刈羽6、7号机组因东京电力公司违反核物质防护规程曝光而被叫停,东海第二核电站因当地居民起诉被法院判决不得重启。在已获准重启的核电机组中,去年8月美滨核电站3号机组又再次发生了泄漏事故,2023年1月高滨核电站4号机组由于驱动反应堆控制棒进出堆芯的装置电流异常造成自动停止事故,重启工作存在的这些事故隐患,给核电重启进程蒙上了一层阴影。因此没有政府的强有力推动,重启进程未必能加快。

其次,延长既有核电运行期限是提高核电经济性、实现2030年核电占比目标的基础。核电机组运行长期化是发展大势,此举将有助于防止核电装机容量突然出现“滑坡”,但对核电技术创新反而可能起到抑制的效果,因为投资建设一座新核电站毕竟需要巨额资金,而且投资回报不确定性也在增加,机组延寿长期化将会影响电力企业投资开发建设新一代反应堆的积极性。

再次,值得注意的是,开发新建并不意味着日本核电的增量,日本早先计划新建的6台机组至今也没能开工。由于日本新建核电站选址困难,只能在废堆原址上通过重建或改建来取代退役的反应堆。目前重建或改建所圈定的新一代创新型反应堆,其实都是一些日本既有的改良技术,优先推广的是尽快能投入实际使用的技术。因为按照现有的安全合规基准,一座新核电厂从选址开始到建设完工至少需要20年的时间。其实,从现在开始无论新建、还是重建或改建都已无法赶上中长期核电占比规划目标的需求。但新政的出台,日本核电发展终于在长隧道尽头看到了一道曙光。

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