2023年3月21日，美國能源部發(fā)布報告《先進(jìn)核能商業(yè)化路徑》。報告指出：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)布的首批三份報告中的一份。另外兩份報告分別涉及清潔氫技術(shù)和長時儲能技術(shù)。這三份報告分別分析了先進(jìn)核能、清潔氫和長時儲能技術(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)，因為其具有六方面優(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)，并且在運行過程中不會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間持續(xù)運行的基荷能源的支持，否則電網(wǎng)的運行穩(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。

四是對電力傳輸設(shè)施的要求低。主要有兩點原因：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)布的一份報告指出，近400座已關(guān)閉和在運燃煤電廠適于建設(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，還能在更大范圍內(nèi)助力碳減排。

2需要在2030年啟動先進(jìn)核能商業(yè)化部署

為實現(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。

報告將美到2050年建成2億千瓦核電裝機(jī)容量作為一個基準(zhǔn)值。該值是近年來多個研究項目獲得的2050年核電裝機(jī)容量預(yù)測中值，并且是一個雖有挑戰(zhàn)性、但可以實現(xiàn)的目標(biāo)。

報告將先進(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。

報告指出，如果某一新型反應(yīng)堆技術(shù)實現(xiàn)大規(guī)模部署，其首堆的隔夜造價需要達(dá)到每千瓦6200美元，在建成10～20座反應(yīng)堆之后，隔夜造價應(yīng)降至每千瓦3600美元。美國正在實施的沃格特勒核電建設(shè)項目的隔夜造價已超過每千瓦1萬美元。

美國需要盡快為啟動先進(jìn)核能大規(guī)模部署做好各項準(zhǔn)備工作：如果在2030年啟動，并到2040年達(dá)到年均建成1300萬千瓦的速度，就能穩(wěn)步實現(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，則可能不能實現(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，這會導(dǎo)致投資額增加50%(下圖)。

3先進(jìn)核能商業(yè)化路徑

報告建議了美國先進(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，但報告指出，考慮到電力公司的風(fēng)險承受能力，首種實現(xiàn)商業(yè)化的技術(shù)很可能是第三代+模塊化小堆。

第二階段是項目建設(shè)。在獲得首批訂單后，按時并在預(yù)算范圍內(nèi)完成首批反應(yīng)堆建設(shè)將變得極為重要。必須在五個方面保證相關(guān)工作的高質(zhì)量開展。一是設(shè)計，即設(shè)計者高質(zhì)量完成反應(yīng)堆設(shè)計，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)備運至廠區(qū);五是取證，即在項目執(zhí)行過程中，所有相關(guān)方與美國核管會及其他監(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)動力后，政府提供的支持將會大幅減少，為保證新項目順利交付，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，報告分析了在三個階段將面臨的挑戰(zhàn)，并建議了應(yīng)對方案。

4.1簽署訂單

由于首批建設(shè)項目沒有現(xiàn)成經(jīng)驗可供參考借鑒，面臨拖期超概的風(fēng)險較大，因此出現(xiàn)了一個僵局，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。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，因為風(fēng)險主要由開發(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政支持，幫助降低首批項目的風(fēng)險，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。第三方(政府或非政府機(jī)構(gòu))可以作為項目承保方，部分承擔(dān)超過某一閾值的反應(yīng)堆造價：為項目設(shè)置一個成本閾值，一旦超過，將由政府或其他實體承擔(dān)部分超支費用，例如總超支的50%。這有助于降低項目過度超支風(fēng)險，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目承保方，則需要國會制訂法規(guī)，對具體細(xì)節(jié)作出相關(guān)規(guī)定。

二是財政援助。例如分級援助，即第一個項目獲得最高資助額，后續(xù)項目資助額逐次遞減。這一機(jī)制可以提供部分風(fēng)險保證，同時激勵客戶盡早簽署反應(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 項目建設(shè)

在項目建設(shè)階段，存在兩項挑戰(zhàn)：一是按時按預(yù)算完成項目建設(shè)，二是缺乏可供未來核電建設(shè)項目參考的體系化的核電建設(shè)項目管理知識。

對于第一項挑戰(zhàn)，即按時按預(yù)算完成項目建設(shè)，核工業(yè)界能夠從現(xiàn)行的沃格特勒核電建設(shè)項目汲取經(jīng)驗教訓(xùn)。該項目正在建設(shè)兩臺AP1000機(jī)組，分別于2013年3月和11月正式啟動建設(shè)，原計劃分別于2017年和2018投運。但這兩臺機(jī)組至今仍未投運。

造成這兩臺機(jī)組嚴(yán)重拖期的根本原因有七個：一是在啟動建設(shè)時設(shè)計方案尚不完整，二是項目整體進(jìn)度表不夠詳細(xì)，進(jìn)度安排缺乏靈活性，項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)險評估不足;五是設(shè)計方案在可施工性方面存在不足;六是工作人員缺乏經(jīng)驗;七是新冠疫情(不在項目執(zhí)行的控制范圍內(nèi))。

這七個根本原因?qū)е马椖吭趯嵤┻^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)致沃格特勒項目延期的七個根本原因，前六個在項目執(zhí)行的控制范圍內(nèi)，能夠在未來建設(shè)項目中有效避免。

一是在正式啟動建設(shè)前完成設(shè)計。技術(shù)開發(fā)商應(yīng)在項目啟動施工或制造商啟動設(shè)備制造之前完成70%以上的設(shè)計，即完成不涉及具體廠址條件的所有設(shè)計。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額外的資金來完成設(shè)計。這導(dǎo)致了一個矛盾的局面，即客戶期望合同簽署后立刻啟動項目建設(shè)，但此時設(shè)計卻尚未完成。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。

二是對設(shè)計方案進(jìn)行詳細(xì)的可施工性審查，確保項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)計方案的編制，并進(jìn)行“從設(shè)計到施工”以及“從設(shè)計到運行”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)的綜合項目進(jìn)度表并建立適當(dāng)?shù)捻椖抗芸貦C(jī)制，確保項目順利執(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)先項目安排(制造大型鍛件等)，以及建設(shè)過程中每個環(huán)節(jié)所需的勞動力和技能要求。

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。

五是在整個項目周期內(nèi)進(jìn)行嚴(yán)格的項目風(fēng)險評估，識別關(guān)鍵風(fēng)險和風(fēng)險承擔(dān)者，及早規(guī)避風(fēng)險;定期查看風(fēng)險清單，依據(jù)實際情況修改、增加或刪除風(fēng)險條目。

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)計劃，并確保提供的就業(yè)崗位在當(dāng)?shù)貏趧恿κ袌鼍哂懈偁幜Α?/p>

對于第二項挑戰(zhàn)，即缺乏體系化的核電建設(shè)項目管理知識，公共和私營機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)合作建立一個負(fù)責(zé)項目管理知識的實體，共享從相關(guān)項目中獲得的知識。一旦一個項目得到成功實施，其經(jīng)驗和教訓(xùn)均可供后續(xù)項目參考。

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。可預(yù)測的許可證審批時間被認(rèn)為是加快先進(jìn)核能部署的關(guān)鍵要素。為實現(xiàn)每年新增1300萬千瓦核電裝機(jī)容量的目標(biāo)，核管會可能需增加約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，因為其基于成熟技術(shù)。然而，對于第四代反應(yīng)堆，需要一座快中子試驗堆，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。盡快推進(jìn)先進(jìn)核能商業(yè)化部署是實現(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、項目建設(shè)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展三個階段。每個階段均面臨著嚴(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)，推動先進(jìn)核能早日實現(xiàn)商業(yè)化部署，助力美2050年碳減排目標(biāo)的實現(xiàn)。