2023年3月21日，美國能源部發(fā)布報(bào)告《先進(jìn)核能商業(yè)化路徑》。報(bào)告指出：核電是為數(shù)不多的可供選擇的清潔基荷電力技術(shù)之一;為實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)，美國到2050年可能需要建成2億千瓦核電裝機(jī)容量，并需要在2030年啟動(dòng)先進(jìn)核能的商業(yè)化部署。
這是能源部為加速先進(jìn)清潔能源技術(shù)商業(yè)化部署發(fā)布的首批三份報(bào)告中的一份。另外兩份報(bào)告分別涉及清潔氫技術(shù)和長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)。這三份報(bào)告分別分析了先進(jìn)核能、清潔氫和長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)商業(yè)化路徑及其面臨的挑戰(zhàn)，并提出了應(yīng)對建議，目的是為未來政府與私營企業(yè)及其他機(jī)構(gòu)合作推進(jìn)相關(guān)技術(shù)商業(yè)化提供參考。
1核能是有助于能源結(jié)構(gòu)清潔低碳轉(zhuǎn)型的寶貴資產(chǎn)
報(bào)告指出，核能是能夠助力能源結(jié)構(gòu)清潔低碳轉(zhuǎn)型的寶貴資產(chǎn)，因?yàn)槠渚哂辛矫鎯?yōu)勢。
一是能夠以清潔低碳的方式生產(chǎn)電力。 核電是全壽期碳排放量最低的電力生產(chǎn)技術(shù)，并且在運(yùn)行過程中不會(huì)向外界排放空氣污染物。因此，發(fā)展核電不僅有助于降低碳排放，而且有利于保護(hù)公眾健康。
二是能夠助力可再生能源發(fā)展。 研究表明，雖然可再生能源能夠在降低碳排放方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，但當(dāng)可再生能源發(fā)電量在總發(fā)電量中所占份額超過80%后，則需要獲得能夠長時(shí)間持續(xù)運(yùn)行的基荷能源的支持，否則電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性將受到影響。核電廠是具有成本競爭力的基荷電廠，能夠支持可再生能源的持續(xù)發(fā)展。
三是占地面積小。 核電廠是占地面積最小的發(fā)電廠之一。這意味著未來電力公司可以充分利用現(xiàn)有核電廠址開展建設(shè)，從而降低在選址、取證等方面的風(fēng)險(xiǎn)。
四是對電力傳輸設(shè)施的要求低。主要有兩點(diǎn)原因：一是在電力需求區(qū)附近建設(shè)核電廠面臨的技術(shù)性限制條件較少(但在公眾接受度方面會(huì)面臨挑戰(zhàn));二是核電廠具有高功率密度和高負(fù)荷因子。未來的核電廠還可以充分利用最初為燃煤電廠配套建設(shè)的電力傳輸設(shè)施。
五是能夠助力地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。 在所有能源技術(shù)中，核電能夠給地方帶來最大的經(jīng)濟(jì)效益。就每百萬千瓦電力裝機(jī)容量而言，核電創(chuàng)造的就業(yè)崗位數(shù)量是風(fēng)電的約3倍;核電廠工作人員薪酬比風(fēng)電或太陽能電廠工作人員高50%。美能源部2022年9月發(fā)布的一份報(bào)告指出，近400座已關(guān)閉和在運(yùn)燃煤電廠適于建設(shè)核電廠(詳見本刊2022年第10期相關(guān)報(bào)道)。
六是具有多元化用途。 除了發(fā)電，核能還可用于制氫、海水淡化、區(qū)域供暖、為工廠提供工藝熱，在滿足更多領(lǐng)域能源需求的同時(shí)，還能在更大范圍內(nèi)助力碳減排。
2需要在2030年啟動(dòng)先進(jìn)核能商業(yè)化部署
為實(shí)現(xiàn)2050年凈零排放目標(biāo)，美國需要建設(shè)5.5億～7.7億千瓦的清潔基荷電力裝機(jī)容量。核電是為數(shù)不多的可供選擇的基荷電力技術(shù)之一。
報(bào)告將美到2050年建成2億千瓦核電裝機(jī)容量作為一個(gè)基準(zhǔn)值。該值是近年來多個(gè)研究項(xiàng)目獲得的2050年核電裝機(jī)容量預(yù)測中值，并且是一個(gè)雖有挑戰(zhàn)性、但可以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。
報(bào)告將先進(jìn)核能技術(shù)分為兩類：一類是第三代+反應(yīng)堆技術(shù)，與傳統(tǒng)反應(yīng)堆類似，使用水作為冷卻劑，低濃鈾作為燃料;另一類是第四代反應(yīng)堆技術(shù)，使用高豐度低濃鈾等新型燃料以及液體金屬等新型冷卻劑。報(bào)告還按照裝機(jī)容量將先進(jìn)反應(yīng)堆分為三大類：大型反應(yīng)堆(裝機(jī)容量100萬千瓦及以上)、模塊化小堆(裝機(jī)容量5萬～30萬千瓦)和微堆(裝機(jī)容量5萬千瓦及以下)。在這三類反應(yīng)堆中，模塊化小堆更易達(dá)到預(yù)期的成本目標(biāo)，并將在先進(jìn)核能大規(guī)模部署初期發(fā)揮重要作用。但是，如果要建設(shè)2億千瓦裝機(jī)容量，可能還需要建設(shè)大型反應(yīng)堆。
報(bào)告指出，如果某一新型反應(yīng)堆技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模部署，其首堆的隔夜造價(jià)需要達(dá)到每千瓦6200美元，在建成10～20座反應(yīng)堆之后，隔夜造價(jià)應(yīng)降至每千瓦3600美元。美國正在實(shí)施的沃格特勒核電建設(shè)項(xiàng)目的隔夜造價(jià)已超過每千瓦1萬美元。
美國需要盡快為啟動(dòng)先進(jìn)核能大規(guī)模部署做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作：如果在2030年啟動(dòng)，并到2040年達(dá)到年均建成1300萬千瓦的速度，就能穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)到2050年建成2億千瓦核電裝機(jī)容量的目標(biāo);如果推遲至2035年才啟動(dòng)，則可能不能實(shí)現(xiàn)2050年目標(biāo)，或需要到2046年達(dá)到年均建成2000萬千瓦的速度，這會(huì)導(dǎo)致投資額增加50%(下圖)。
3先進(jìn)核能商業(yè)化路徑
報(bào)告建議了美國先進(jìn)核能商業(yè)化路徑。該路徑主要包括三個(gè)相互重疊的階段(詳見下圖)。
第一階段是簽署訂單。推進(jìn)某種先進(jìn)反應(yīng)堆的商業(yè)化，需要到2025年簽署5至10座這種反應(yīng)堆的建設(shè)合同，以便為供應(yīng)鏈企業(yè)提升產(chǎn)能預(yù)留足夠的時(shí)間。截至2023年1月，美國沒有企業(yè)簽署反應(yīng)堆建設(shè)合同，雖然有多家企業(yè)表示對建設(shè)先進(jìn)反應(yīng)堆感興趣，并簽署了諒解備忘錄或意向書。盡管美國能源部在“先進(jìn)反應(yīng)堆示范計(jì)劃”中資助兩種第四代反應(yīng)堆技術(shù)在2028年底前建成首堆，但報(bào)告指出，考慮到電力公司的風(fēng)險(xiǎn)承受能力，首種實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的技術(shù)很可能是第三代+模塊化小堆。
第二階段是項(xiàng)目建設(shè)。在獲得首批訂單后，按時(shí)并在預(yù)算范圍內(nèi)完成首批反應(yīng)堆建設(shè)將變得極為重要。必須在五個(gè)方面保證相關(guān)工作的高質(zhì)量開展。一是設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)者高質(zhì)量完成反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，供電廠建設(shè)者使用;二是選址和獲得早期廠址許可，即評價(jià)在相關(guān)廠址建設(shè)反應(yīng)堆的適宜性;三是建設(shè)，即在選定的廠址按照最初的設(shè)計(jì)完成電廠建設(shè);四是供應(yīng)鏈，即供應(yīng)鏈企業(yè)完成設(shè)備制造并將設(shè)備運(yùn)至廠區(qū);五是取證，即在項(xiàng)目執(zhí)行過程中，所有相關(guān)方與美國核管會(huì)及其他監(jiān)管機(jī)構(gòu)合作，保障能夠安全且高質(zhì)量地完成電廠建設(shè)。
第三階段是產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。先進(jìn)核能發(fā)展獲得商業(yè)動(dòng)力后，政府提供的支持將會(huì)大幅減少，為保證新項(xiàng)目順利交付，需要加強(qiáng)核工業(yè)的基礎(chǔ)能力建設(shè)，包括人員配備、供應(yīng)鏈建設(shè)、取證能力、測試能力和乏燃料貯存等。
4商業(yè)化挑戰(zhàn)及應(yīng)對方案
對于先進(jìn)核能商業(yè)化進(jìn)程，報(bào)告分析了在三個(gè)階段將面臨的挑戰(zhàn)，并建議了應(yīng)對方案。
4.1簽署訂單
由于首批建設(shè)項(xiàng)目沒有現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)可供參考借鑒，面臨拖期超概的風(fēng)險(xiǎn)較大，因此出現(xiàn)了一個(gè)僵局，即首批反應(yīng)堆建設(shè)訂單遲遲沒有出現(xiàn)。針對這一僵局，報(bào)告建議了三種應(yīng)對方案。一是組建企業(yè)聯(lián)合體，就采用相同設(shè)計(jì)建設(shè)多座反應(yīng)堆簽訂成本分擔(dān)協(xié)議，共同承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)。二是先由開發(fā)商批量建設(shè)反應(yīng)堆，然后由終端用戶租賃反應(yīng)堆或向其銷售電力。這一方案能夠降低最終用戶的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)主要由開發(fā)商承擔(dān)。三是向外國客戶出口5至10座反應(yīng)堆。這能夠幫助國內(nèi)客戶樹立信心，并助力供應(yīng)鏈企業(yè)建立能力和擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。
政府可以提供下述四種財(cái)政支持，幫助降低首批項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)，以在2025年前促成首批反應(yīng)堆建設(shè)訂單。
一是成本超支保險(xiǎn)。第三方(政府或非政府機(jī)構(gòu))可以作為項(xiàng)目承保方，部分承擔(dān)超過某一閾值的反應(yīng)堆造價(jià)：為項(xiàng)目設(shè)置一個(gè)成本閾值，一旦超過，將由政府或其他實(shí)體承擔(dān)部分超支費(fèi)用，例如總超支的50%。這有助于降低項(xiàng)目過度超支風(fēng)險(xiǎn)，并吸引電力公司及其他客戶簽署反應(yīng)堆建設(shè)訂單。如果由美國政府作為項(xiàng)目承保方，則需要國會(huì)制訂法規(guī)，對具體細(xì)節(jié)作出相關(guān)規(guī)定。
二是財(cái)政援助。例如分級(jí)援助，即第一個(gè)項(xiàng)目獲得最高資助額，后續(xù)項(xiàng)目資助額逐次遞減。這一機(jī)制可以提供部分風(fēng)險(xiǎn)保證，同時(shí)激勵(lì)客戶盡早簽署反應(yīng)堆建設(shè)訂單，確保先行者獲得最大程度的財(cái)政支持。
三是政府直接出資購買核電廠。例如，聯(lián)邦所有企業(yè)田納西流域管理局2022年8月與通用電氣-日立核能公司簽署協(xié)議，合作在田納西州橡樹嶺克林奇河開展模塊化小型沸水堆BWRX-300的建設(shè)規(guī)劃和初步取證工作。此外，模塊化小堆和微堆可能尤其適用于向地處偏遠(yuǎn)的軍事基地和其他國家安全基礎(chǔ)設(shè)施提供電力。
四是政府購電。政府機(jī)構(gòu)可以采用簽署長達(dá)10年的直接購電協(xié)議等方式，助力電力公司簽署首批反應(yīng)堆建設(shè)合同。
4.2 項(xiàng)目建設(shè)
在項(xiàng)目建設(shè)階段，存在兩項(xiàng)挑戰(zhàn)：一是按時(shí)按預(yù)算完成項(xiàng)目建設(shè)，二是缺乏可供未來核電建設(shè)項(xiàng)目參考的體系化的核電建設(shè)項(xiàng)目管理知識(shí)。
對于第一項(xiàng)挑戰(zhàn)，即按時(shí)按預(yù)算完成項(xiàng)目建設(shè)，核工業(yè)界能夠從現(xiàn)行的沃格特勒核電建設(shè)項(xiàng)目汲取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。該項(xiàng)目正在建設(shè)兩臺(tái)AP1000機(jī)組，分別于2013年3月和11月正式啟動(dòng)建設(shè)，原計(jì)劃分別于2017年和2018投運(yùn)。但這兩臺(tái)機(jī)組至今仍未投運(yùn)。
造成這兩臺(tái)機(jī)組嚴(yán)重拖期的根本原因有七個(gè)：一是在啟動(dòng)建設(shè)時(shí)設(shè)計(jì)方案尚不完整，二是項(xiàng)目整體進(jìn)度表不夠詳細(xì)，進(jìn)度安排缺乏靈活性，項(xiàng)目管控體系存在不足;三是質(zhì)量保證和質(zhì)量控制措施不到位，文件記錄標(biāo)準(zhǔn)不當(dāng);四是風(fēng)險(xiǎn)評估不足;五是設(shè)計(jì)方案在可施工性方面存在不足;六是工作人員缺乏經(jīng)驗(yàn);七是新冠疫情(不在項(xiàng)目執(zhí)行的控制范圍內(nèi))。
這七個(gè)根本原因?qū)е马?xiàng)目在實(shí)施過程中出現(xiàn)四方面系統(tǒng)性問題：一是需要開展大量返工和補(bǔ)救工作;二是供應(yīng)鏈延誤，包括設(shè)備不能及時(shí)交付和已交付設(shè)備存在質(zhì)量問題;三是人員工作效率低于預(yù)期;四是存在大量請假和缺勤現(xiàn)象(因新冠疫情)。
對于導(dǎo)致沃格特勒項(xiàng)目延期的七個(gè)根本原因，前六個(gè)在項(xiàng)目執(zhí)行的控制范圍內(nèi)，能夠在未來建設(shè)項(xiàng)目中有效避免。
一是在正式啟動(dòng)建設(shè)前完成設(shè)計(jì)。技術(shù)開發(fā)商應(yīng)在項(xiàng)目啟動(dòng)施工或制造商啟動(dòng)設(shè)備制造之前完成70%以上的設(shè)計(jì)，即完成不涉及具體廠址條件的所有設(shè)計(jì)。但是，相關(guān)技術(shù)開發(fā)商表示，他們不愿在沒有簽署訂單的情況下花費(fèi)額外的資金來完成設(shè)計(jì)。這導(dǎo)致了一個(gè)矛盾的局面，即客戶期望合同簽署后立刻啟動(dòng)項(xiàng)目建設(shè)，但此時(shí)設(shè)計(jì)卻尚未完成。因此，有必要向相關(guān)技術(shù)開發(fā)商提供資助，支持其盡早完成設(shè)計(jì)。
二是對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)的可施工性審查，確保項(xiàng)目能夠以最有效的方式得到執(zhí)行。確保有施工方面的專業(yè)人員參與最終設(shè)計(jì)方案的編制，并進(jìn)行“從設(shè)計(jì)到施工”以及“從設(shè)計(jì)到運(yùn)行”的分析。
三是編制一套能夠獲得配套資源支持的、可行性高、靈活性強(qiáng)的綜合項(xiàng)目進(jìn)度表并建立適當(dāng)?shù)捻?xiàng)目管控機(jī)制，確保項(xiàng)目順利執(zhí)行。政府可以向技術(shù)供應(yīng)商提供資金支持，制定綜合項(xiàng)目進(jìn)度表，包括但不限于現(xiàn)場施工、模塊化制造、材料清單、長期優(yōu)先項(xiàng)目安排(制造大型鍛件等)，以及建設(shè)過程中每個(gè)環(huán)節(jié)所需的勞動(dòng)力和技能要求。
四是確保質(zhì)量保證/質(zhì)量控制與文件記錄標(biāo)準(zhǔn)明確且一致。開展必要培訓(xùn)，保證員工和管理層正確理解質(zhì)量保證/質(zhì)量控制和文件記錄標(biāo)準(zhǔn)，在團(tuán)隊(duì)中以自上而下的方式加強(qiáng)質(zhì)量文化建設(shè)。施工方應(yīng)與監(jiān)管機(jī)構(gòu)密切合作，在質(zhì)量保證標(biāo)準(zhǔn)方面達(dá)成一致，避免返工。
五是在整個(gè)項(xiàng)目周期內(nèi)進(jìn)行嚴(yán)格的項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評估，識(shí)別關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)者，及早規(guī)避風(fēng)險(xiǎn);定期查看風(fēng)險(xiǎn)清單，依據(jù)實(shí)際情況修改、增加或刪除風(fēng)險(xiǎn)條目。
六是盡早開展人員培訓(xùn)。制訂和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化的培訓(xùn)計(jì)劃，并確保提供的就業(yè)崗位在當(dāng)?shù)貏趧?dòng)力市場具有競爭力。
對于第二項(xiàng)挑戰(zhàn)，即缺乏體系化的核電建設(shè)項(xiàng)目管理知識(shí)，公共和私營機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)合作建立一個(gè)負(fù)責(zé)項(xiàng)目管理知識(shí)的實(shí)體，共享從相關(guān)項(xiàng)目中獲得的知識(shí)。一旦一個(gè)項(xiàng)目得到成功實(shí)施，其經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)均可供后續(xù)項(xiàng)目參考。
4.3 產(chǎn)業(yè)化發(fā)展
截至2023年，美國的核工業(yè)界無法支撐每年新增1300萬千瓦、到2050年新增2億千瓦核電裝機(jī)容量的目標(biāo)，未來需要在六個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域加強(qiáng)能力建設(shè)。
一是人員配備。到2050年建成2億千瓦核電裝機(jī)容量，將需要約37.5萬名專業(yè)技術(shù)人員和非技術(shù)人員從事建設(shè)、制造和運(yùn)營工作;目前核工業(yè)僅有10萬名工作人員。
二是燃料供應(yīng)鏈。實(shí)現(xiàn)2050年核電建設(shè)目標(biāo)，需要將燃料供應(yīng)鏈能力提升1至2倍。2050年，核燃料年均產(chǎn)能需增加約5000噸，當(dāng)前產(chǎn)能為每年4200噸。相關(guān)的天然鈾、鈾轉(zhuǎn)化、鈾濃縮需求也會(huì)大幅增加。
三是設(shè)備供應(yīng)鏈。目前美國設(shè)備供應(yīng)能力不足：缺乏大型鍛件制造能力，小型鍛件的制造能力僅能滿足每年建設(shè)300萬千瓦裝機(jī)容量的需求。
四是許可證審批?？深A(yù)測的許可證審批時(shí)間被認(rèn)為是加快先進(jìn)核能部署的關(guān)鍵要素。為實(shí)現(xiàn)每年新增1300萬千瓦核電裝機(jī)容量的目標(biāo)，核管會(huì)可能需增加約500名許可證審查人員，300～500名專家，以及1000名核電機(jī)組建設(shè)監(jiān)督員、核電廠運(yùn)行檢查員等;
五是測試能力。第三代+反應(yīng)堆技術(shù)的測試要求相對較少，因?yàn)槠浠诔墒旒夹g(shù)。然而，對于第四代反應(yīng)堆，需要一座快中子試驗(yàn)堆，用于開展燃料和設(shè)備材料的測試工作。美國需要投資建造一座快中子試驗(yàn)堆，或者與擁有相應(yīng)能力的國家開展合作。
六是乏燃料貯存。美國現(xiàn)有乏燃料分散貯存在各座核電廠，未來需要建設(shè)一座集中式中間貯存設(shè)施，或批準(zhǔn)在內(nèi)華達(dá)州尤卡山以外的地點(diǎn)建立永久性深層地質(zhì)處置設(shè)施。
5結(jié)語
先進(jìn)核能是一種能夠支持可再生能源發(fā)展的清潔基荷能源，具有占地面小、對電力傳輸設(shè)施要求低、能夠助力地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展、具有多元化用途等特點(diǎn)。盡快推進(jìn)先進(jìn)核能商業(yè)化部署是實(shí)現(xiàn)美國2050年凈零排放的關(guān)鍵。
先進(jìn)核能商業(yè)化過程可分為簽署訂單、項(xiàng)目建設(shè)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展三個(gè)階段。每個(gè)階段均面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。需要政府、私營企業(yè)和相關(guān)機(jī)構(gòu)密切合作，共同應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，推動(dòng)先進(jìn)核能早日實(shí)現(xiàn)商業(yè)化部署，助力美2050年碳減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
