美能源部发布报告《先进核能商业化路径》

2023-06-25 08:42  来源:中核智库    美能源部  美国核电  三代核电  四代核电  小堆

2023年3月21日,美国能源部发布报告《先进核能商业化路径》。报告指出:核电是为数不多的可供选择的清洁基荷电力技术之一;为实现净零排放目标,美国到2050年可能需要建成2亿千瓦核电装机容量,并需要在2030年启动先进核能的商业化部署。


2023年3月21日,美国能源部发布报告《先进核能商业化路径》。报告指出:核电是为数不多的可供选择的清洁基荷电力技术之一;为实现净零排放目标,美国到2050年可能需要建成2亿千瓦核电装机容量,并需要在2030年启动先进核能的商业化部署。

这是能源部为加速先进清洁能源技术商业化部署发布的首批三份报告中的一份。另外两份报告分别涉及清洁氢技术和长时储能技术。这三份报告分别分析了先进核能、清洁氢和长时储能技术商业化路径及其面临的挑战,并提出了应对建议,目的是为未来政府与私营企业及其他机构合作推进相关技术商业化提供参考。

1核能是有助于能源结构清洁低碳转型的宝贵资产

报告指出,核能是能够助力能源结构清洁低碳转型的宝贵资产,因为其具有六方面优势。

一是能够以清洁低碳的方式生产电力。核电是全寿期碳排放量最低的电力生产技术,并且在运行过程中不会向外界排放空气污染物。因此,发展核电不仅有助于降低碳排放,而且有利于保护公众健康。

二是能够助力可再生能源发展。研究表明,虽然可再生能源能够在降低碳排放方面发挥关键作用,但当可再生能源发电量在总发电量中所占份额超过80%后,则需要获得能够长时间持续运行的基荷能源的支持,否则电网的运行稳定性将受到影响。核电厂是具有成本竞争力的基荷电厂,能够支持可再生能源的持续发展。

三是占地面积小。核电厂是占地面积最小的发电厂之一。这意味着未来电力公司可以充分利用现有核电厂址开展建设,从而降低在选址、取证等方面的风险。

四是对电力传输设施的要求低。主要有两点原因:一是在电力需求区附近建设核电厂面临的技术性限制条件较少(但在公众接受度方面会面临挑战);二是核电厂具有高功率密度和高负荷因子。未来的核电厂还可以充分利用最初为燃煤电厂配套建设的电力传输设施。

五是能够助力地方经济发展。在所有能源技术中,核电能够给地方带来最大的经济效益。就每百万千瓦电力装机容量而言,核电创造的就业岗位数量是风电的约3倍;核电厂工作人员薪酬比风电或太阳能电厂工作人员高50%。美能源部2022年9月发布的一份报告指出,近400座已关闭和在运燃煤电厂适于建设核电厂(详见本刊2022年第10期相关报道)。

六是具有多元化用途。除了发电,核能还可用于制氢、海水淡化、区域供暖、为工厂提供工艺热,在满足更多领域能源需求的同时,还能在更大范围内助力碳减排。

2需要在2030年启动先进核能商业化部署

为实现2050年净零排放目标,美国需要建设5.5亿~7.7亿千瓦的清洁基荷电力装机容量。核电是为数不多的可供选择的基荷电力技术之一。

报告将美到2050年建成2亿千瓦核电装机容量作为一个基准值。该值是近年来多个研究项目获得的2050年核电装机容量预测中值,并且是一个虽有挑战性、但可以实现的目标。

报告将先进核能技术分为两类:一类是第三代+反应堆技术,与传统反应堆类似,使用水作为冷却剂,低浓铀作为燃料;另一类是第四代反应堆技术,使用高丰度低浓铀等新型燃料以及液体金属等新型冷却剂。报告还按照装机容量将先进反应堆分为三大类:大型反应堆(装机容量100万千瓦及以上)、模块化小堆(装机容量5万~30万千瓦)和微堆(装机容量5万千瓦及以下)。在这三类反应堆中,模块化小堆更易达到预期的成本目标,并将在先进核能大规模部署初期发挥重要作用。但是,如果要建设2亿千瓦装机容量,可能还需要建设大型反应堆。

报告指出,如果某一新型反应堆技术实现大规模部署,其首堆的隔夜造价需要达到每千瓦6200美元,在建成10~20座反应堆之后,隔夜造价应降至每千瓦3600美元。美国正在实施的沃格特勒核电建设项目的隔夜造价已超过每千瓦1万美元。

美国需要尽快为启动先进核能大规模部署做好各项准备工作:如果在2030年启动,并到2040年达到年均建成1300万千瓦的速度,就能稳步实现到2050年建成2亿千瓦核电装机容量的目标;如果推迟至2035年才启动,则可能不能实现2050年目标,或需要到2046年达到年均建成2000万千瓦的速度,这会导致投资额增加50%(下图)。

3先进核能商业化路径

报告建议了美国先进核能商业化路径。该路径主要包括三个相互重叠的阶段(详见下图)。

第一阶段是签署订单。推进某种先进反应堆的商业化,需要到2025年签署5至10座这种反应堆的建设合同,以便为供应链企业提升产能预留足够的时间。截至2023年1月,美国没有企业签署反应堆建设合同,虽然有多家企业表示对建设先进反应堆感兴趣,并签署了谅解备忘录或意向书。尽管美国能源部在“先进反应堆示范计划”中资助两种第四代反应堆技术在2028年底前建成首堆,但报告指出,考虑到电力公司的风险承受能力,首种实现商业化的技术很可能是第三代+模块化小堆。

第二阶段是项目建设。在获得首批订单后,按时并在预算范围内完成首批反应堆建设将变得极为重要。必须在五个方面保证相关工作的高质量开展。一是设计,即设计者高质量完成反应堆设计,供电厂建设者使用;二是选址和获得早期厂址许可,即评价在相关厂址建设反应堆的适宜性;三是建设,即在选定的厂址按照最初的设计完成电厂建设;四是供应链,即供应链企业完成设备制造并将设备运至厂区;五是取证,即在项目执行过程中,所有相关方与美国核管会及其他监管机构合作,保障能够安全且高质量地完成电厂建设。

第三阶段是产业化发展。先进核能发展获得商业动力后,政府提供的支持将会大幅减少,为保证新项目顺利交付,需要加强核工业的基础能力建设,包括人员配备、供应链建设、取证能力、测试能力和乏燃料贮存等。

4商业化挑战及应对方案

对于先进核能商业化进程,报告分析了在三个阶段将面临的挑战,并建议了应对方案。

4.1签署订单

由于首批建设项目没有现成经验可供参考借鉴,面临拖期超概的风险较大,因此出现了一个僵局,即首批反应堆建设订单迟迟没有出现。针对这一僵局,报告建议了三种应对方案。一是组建企业联合体,就采用相同设计建设多座反应堆签订成本分担协议,共同承担风险。二是先由开发商批量建设反应堆,然后由终端用户租赁反应堆或向其销售电力。这一方案能够降低最终用户的风险,因为风险主要由开发商承担。三是向外国客户出口5至10座反应堆。这能够帮助国内客户树立信心,并助力供应链企业建立能力和扩大生产规模。

政府可以提供下述四种财政支持,帮助降低首批项目的风险,以在2025年前促成首批反应堆建设订单。

一是成本超支保险。第三方(政府或非政府机构)可以作为项目承保方,部分承担超过某一阈值的反应堆造价:为项目设置一个成本阈值,一旦超过,将由政府或其他实体承担部分超支费用,例如总超支的50%。这有助于降低项目过度超支风险,并吸引电力公司及其他客户签署反应堆建设订单。如果由美国政府作为项目承保方,则需要国会制订法规,对具体细节作出相关规定。

二是财政援助。例如分级援助,即第一个项目获得最高资助额,后续项目资助额逐次递减。这一机制可以提供部分风险保证,同时激励客户尽早签署反应堆建设订单,确保先行者获得最大程度的财政支持。

三是政府直接出资购买核电厂。例如,联邦所有企业田纳西流域管理局2022年8月与通用电气-日立核能公司签署协议,合作在田纳西州橡树岭克林奇河开展模块化小型沸水堆BWRX-300的建设规划和初步取证工作。此外,模块化小堆和微堆可能尤其适用于向地处偏远的军事基地和其他国家安全基础设施提供电力。

四是政府购电。政府机构可以采用签署长达10年的直接购电协议等方式,助力电力公司签署首批反应堆建设合同。

4.2 项目建设

在项目建设阶段,存在两项挑战:一是按时按预算完成项目建设,二是缺乏可供未来核电建设项目参考的体系化的核电建设项目管理知识。

对于第一项挑战,即按时按预算完成项目建设,核工业界能够从现行的沃格特勒核电建设项目汲取经验教训。该项目正在建设两台AP1000机组,分别于2013年3月和11月正式启动建设,原计划分别于2017年和2018投运。但这两台机组至今仍未投运。

造成这两台机组严重拖期的根本原因有七个:一是在启动建设时设计方案尚不完整,二是项目整体进度表不够详细,进度安排缺乏灵活性,项目管控体系存在不足;三是质量保证和质量控制措施不到位,文件记录标准不当;四是风险评估不足;五是设计方案在可施工性方面存在不足;六是工作人员缺乏经验;七是新冠疫情(不在项目执行的控制范围内)。

这七个根本原因导致项目在实施过程中出现四方面系统性问题:一是需要开展大量返工和补救工作;二是供应链延误,包括设备不能及时交付和已交付设备存在质量问题;三是人员工作效率低于预期;四是存在大量请假和缺勤现象(因新冠疫情)。

对于导致沃格特勒项目延期的七个根本原因,前六个在项目执行的控制范围内,能够在未来建设项目中有效避免。

一是在正式启动建设前完成设计。技术开发商应在项目启动施工或制造商启动设备制造之前完成70%以上的设计,即完成不涉及具体厂址条件的所有设计。但是,相关技术开发商表示,他们不愿在没有签署订单的情况下花费额外的资金来完成设计。这导致了一个矛盾的局面,即客户期望合同签署后立刻启动项目建设,但此时设计却尚未完成。因此,有必要向相关技术开发商提供资助,支持其尽早完成设计。

二是对设计方案进行详细的可施工性审查,确保项目能够以最有效的方式得到执行。确保有施工方面的专业人员参与最终设计方案的编制,并进行“从设计到施工”以及“从设计到运行”的分析。

三是编制一套能够获得配套资源支持的、可行性高、灵活性强的综合项目进度表并建立适当的项目管控机制,确保项目顺利执行。政府可以向技术供应商提供资金支持,制定综合项目进度表,包括但不限于现场施工、模块化制造、材料清单、长期优先项目安排(制造大型锻件等),以及建设过程中每个环节所需的劳动力和技能要求。

四是确保质量保证/质量控制与文件记录标准明确且一致。开展必要培训,保证员工和管理层正确理解质量保证/质量控制和文件记录标准,在团队中以自上而下的方式加强质量文化建设。施工方应与监管机构密切合作,在质量保证标准方面达成一致,避免返工。

五是在整个项目周期内进行严格的项目风险评估,识别关键风险和风险承担者,及早规避风险;定期查看风险清单,依据实际情况修改、增加或删除风险条目。

六是尽早开展人员培训。制订和执行标准化的培训计划,并确保提供的就业岗位在当地劳动力市场具有竞争力。

对于第二项挑战,即缺乏体系化的核电建设项目管理知识,公共和私营机构应当合作建立一个负责项目管理知识的实体,共享从相关项目中获得的知识。一旦一个项目得到成功实施,其经验和教训均可供后续项目参考。

4.3 产业化发展

截至2023年,美国的核工业界无法支撑每年新增1300万千瓦、到2050年新增2亿千瓦核电装机容量的目标,未来需要在六个关键领域加强能力建设。

一是人员配备。到2050年建成2亿千瓦核电装机容量,将需要约37.5万名专业技术人员和非技术人员从事建设、制造和运营工作;目前核工业仅有10万名工作人员。

二是燃料供应链。实现2050年核电建设目标,需要将燃料供应链能力提升1至2倍。2050年,核燃料年均产能需增加约5000吨,当前产能为每年4200吨。相关的天然铀、铀转化、铀浓缩需求也会大幅增加。

三是设备供应链。目前美国设备供应能力不足:缺乏大型锻件制造能力,小型锻件的制造能力仅能满足每年建设300万千瓦装机容量的需求。

四是许可证审批。可预测的许可证审批时间被认为是加快先进核能部署的关键要素。为实现每年新增1300万千瓦核电装机容量的目标,核管会可能需增加约500名许可证审查人员,300~500名专家,以及1000名核电机组建设监督员、核电厂运行检查员等;

五是测试能力。第三代+反应堆技术的测试要求相对较少,因为其基于成熟技术。然而,对于第四代反应堆,需要一座快中子试验堆,用于开展燃料和设备材料的测试工作。美国需要投资建造一座快中子试验堆,或者与拥有相应能力的国家开展合作。

六是乏燃料贮存。美国现有乏燃料分散贮存在各座核电厂,未来需要建设一座集中式中间贮存设施,或批准在内华达州尤卡山以外的地点建立永久性深层地质处置设施。

5结语

先进核能是一种能够支持可再生能源发展的清洁基荷能源,具有占地面小、对电力传输设施要求低、能够助力地方经济发展、具有多元化用途等特点。尽快推进先进核能商业化部署是实现美国2050年净零排放的关键。

先进核能商业化过程可分为签署订单、项目建设和产业化发展三个阶段。每个阶段均面临着严峻挑战。需要政府、私营企业和相关机构密切合作,共同应对这些挑战,推动先进核能早日实现商业化部署,助力美2050年碳减排目标的实现。

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