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2030年世界电力需求将翻番 美国核电产业正在寻求

        发布时间:2019-01-10 15:06        编辑:北极电力网

作为世界上最大的核电生产国,美国生产的核电占全球核发电量的30%以上,占美国发电总量20%。不过,美国几乎所有核电产能都是在40年前批准投产的,现有反应堆正陆续退役。传统的核电投资大、安全要求高,很难与低成本的天然气和受政府补贴的风电竞争,但美国核电一直在寻找新的发展方向。

美国的商业反应堆多为私营公司所有,整个核工业的私人参与程度远高于其他国家。由于核电投资大、回收周期长,很难与低成本的天然气和受政府补贴的风电竞争,加之对安全防护要求不断升级,也成为核工业开发创新的绊脚石。

  三里岛核事故是转折点

根据美国能源信息管理局官网的数据,2017年,美国发电总量为4015 万亿瓦时,其中天然气发电1273万亿瓦时(31.7%)、煤电1208万亿瓦时(30.1%)、核电805万亿瓦时(20%)、水电300万亿瓦时(7.5%)、风电254万亿瓦时(6.3%),其他可再生能源发电133万亿瓦时。

    数据来源:美国能源信息管理局官网 制图/曲径

目前美国共拥有99个核电反应堆,分别由30个不同的电力公司运营。几乎所有的美国核电能力都来自1978年前批准,1967年至1990年间建造的反应堆。这主要是因为多年来天然气发电在经济上更具吸引力,加上1979年三里岛事故后对安全的担忧加剧,以及上世纪七八十年代反核派的经常阻挠,限制了美国核电的发展速度。

上世纪50年代末,世界上第一座商业核电厂希平港(Shippingport)开始运营。上世纪80年代,它又成为美国第一个成功退役的核电厂。

美国最严重的核电事故于1979年3月28日发生在宾夕法尼亚州米德尔顿(Middletown)附近的三里岛核电厂。当时2号反应堆炉芯熔毁,原因是压力阀故障、设计问题和人为错误。但由于西方反应堆非常保守的设计原则,并没有造成任何人员伤亡,事后也未发现相关癌症病例。尽管如此,三里岛事故仍然是美国核电业至关重要的转折点。它带来了应急规划、反应堆操作员培训、人为因素工程、辐射防护等许多核电站运行领域的大规模变革,还导致美国核管理委员会收紧和加强其监管,从而提高了安全性。

然而,公众开始质疑核电厂的建造,许多订单和项目被取消或推迟,政府对核工业的安全要求也大幅提高。从那时起,美国有30年没有颁发新核电厂的建造许可证,已批准的新厂建设普遍延期,费用远远超过预算。

但美国的核工业并没有就此衰落,安全和运营表现反而大幅提高,美国对核电的依赖性也在增加。美国核电产能大部分来自1977年以前批准建造的反应堆,这些反应堆多在上世纪80年代才开始运行。到1990年,美国有100多个核反应堆。虽然新厂建设停滞,但通过改进现有核电厂的原料供给、维护和安全系统,美国核工业在电厂的利用率方面取得了显著成就。到本世纪之交,美国核电平均净容量系数(衡量装机容量有效利用率的指标)超过90%,且所有安全指标都超过了目标。

风电可能是最强大竞争对手

高昂的成本,可能是美国核电发展停滞的直接原因。美国核电有两个强劲的竞争对手:低成本天然气(特别是页岩气)和获得政府补贴的风电。虽然对二氧化碳排放征税将有助于核电与天然气和煤炭竞争,但短期内这个政策不会出台。核电设备每千瓦时的运行成本较高而缺乏竞争力,天然气价格低,风力发电机能获得2.3美元/千瓦时的联邦生产税抵免,还可以优先接入电网。当市场电价在4美分/千瓦时以下时,核电厂的处境就捉襟见肘了。埃克斯龙(Exelon,美国最大核电运营商)公司认为,核电与廉价的天然气竞争,尚可苟延残喘,但受政府补贴的风电却能给核电造成灭顶之灾。尽管风能目前只是供电的一小部分,而且大部分时间都处于停产或半停产状态,但它对电价和和电厂存亡的影响是“至关重要的”。

核电支持者,美国核能研究所(Nuclear Energy Institute)的马修·瓦尔德(Matthew Wald)认为,减少温室气体排放的目标必须与对核基础设施的投资相结合。“我们不同意目前市场的运作,因为市场不为清洁的空气支付任何费用,”他解释说,“美国的一些州是有明确的二氧化碳减排目标的。”他建议,美国的电网区域传输组织应根据碳排放量调整电价,使更清洁的核能变得更具竞争力。然而,这需要很多政治意愿参与才能促成。

核电反对者认为,一旦工厂不能再用于发电,就需要大量资金拆除。退役过程需要数十年,由于辐射和结构的复杂性还会带来许多安全风险。

现任美国总统特朗普看重经济效益,他签署了能源独立政策行政命令,减少了政府对风电等清洁能源的财政补贴。特朗普认为,美国的电力应该是“负担得起的,供电可靠的,规避意外的,防御袭击的,和清洁无害的”,因此,美国核电产业界认为迎来了转机。

2017年3月,美国总统特朗普签署能源独立政策行政命令,这被美国核工业视为转机。

  新建核电厂远超预算被放弃

在1979年的三里岛核事故之后,美国首先批准的两个核电厂新建项目是南卡罗来纳州的“休谟”(V.C.Summer)核电站和佐治亚州的“福格特”(Vogtle)核电站。这两个核电站的建设于2008年先后公布,当时曾被誉为“美国核工业的文艺复兴”。

然而,到2017年,“休谟”核电站已耗费100多亿美元,大大超出预算,工程严重逾期,继续建造核电厂的预算也显著增加。运营商南卡罗来纳电气公司(S.C. Electric & Gas Co.)和桑迪库柏(Santee Cooper)公司决定放弃该核电厂的建造。

“福格特”核电站位于美国东南部的佐治亚州巴克(Burke)县,1号和2号机组分别于1987年和1989年完工,3号和4号机组用西屋AP1000反应堆的装置正在建设中。这是目前美国惟一在建的核电站项目,但同样也是大大超出预算,工程严重逾期。

这两个项目让承包商西屋公司承受了近百亿美元损失,被迫申请破产保护。成本超支是由于社会追求完美和规避安全隐患造成的。过于严格的监管要求,提高了施工复杂性。在日本福岛核电站事故之后,核安全的监管要求更是大幅提高,核电行业仍然缺乏经济有效的应对苛刻监管的经验。

西屋公司的AP1000核电机组属于最新的第三代核反应堆技术,具有固有的安全特性。不仅用于“休谟”和“福格特”核电站,也用于我国浙江三门和山东海阳这两个核电站。2017年3月,西屋公司和30家关联公司申请破产保护,涉及数万债权人。西屋表示将继续致力于AP1000技术,并继续支持在中国建设的工厂。 西屋公司在核燃料业务以及运营工厂业务收入不错,而新建核电站却亏损严重。今年初,西屋公司完成了破产重组,其核燃料和运营核电的部门继续营业。

美国近期建成的核电站是田纳西州的“瓦茨巴”(Watts Bar)2号机组,也是20多年来惟一建成的新核电站。“瓦茨巴”1号和2号机组从1973年开始施工,遭受了很多延误逾期。1号机组在1985年暂时停工,在1996年完成;2号机组在1988年暂时停工,在2007年重新开工,在2015年才彻底完工,2016年开始运行。

由于耗资大、周期长、利润低、风险高,核工业在市场上确实困难重重举步维艰,未来新建核电站的预算则令人瞠目结舌,面对如此险恶的商业环境,美国核工业部门也在寻求新的契机。

降低成本 小型模块或成趋势

成本高、工期长的核电厂的经济风险过高,无法吸引投资。那么,美国的核工业将何去何从呢?

一个方案是构建小型模块化反应堆。其目标是简化施工过程,并批量生产可安装常规设备的反应堆。小型模块化反应堆的工作方式与大型工厂大致相同,但会大大缩短建筑时间和总成本。模块可以在工厂制作,之后整个模块可被运到现场,大大降低了现场组装的难度。这样,最核心的工作从昂贵且生产效率低的建筑工地,转移到了较便宜且生产率高的制造厂中。

“努斯凯尔”(NuScale)是由私营公司“努斯凯尔能源”( NuScale Power)设计的小型模块化压水反应堆。这是一个自然循环轻水反应堆,反应堆堆芯、升压器和螺旋线圈蒸汽发生器位于反应堆容器中,反应堆容器位于圆柱形钢质安全壳内。反应堆容器封闭模块浸没在反应堆安全水池中,该池也是反应堆的最终散热器。反应堆建筑物的水池部分位于地面以下,使用被动水循环,可以在没有动力泵或循环设备的情况下运行。这种既提高了安全保障,又降低了生产成本。

“努斯凯尔”单个模块长度不到25米,直径4.6米,重约450吨,可产生5千万瓦的功率。 一个核电厂最多包括12个“努斯凯尔”小型反应堆,共产生6亿瓦功率,大约是一个西屋AP1000发电机组输出功率的一半。 每个“努斯凯尔”反应堆模块都包含简单、冗余、多样和独立的安全功能。该计划可连接多个迷你反应堆为整座城市供电,要比大型核电站拥有更高的供电效率。12个迷你反应堆的核电厂投资约30亿美元,而在建 的“福格特”核电站投资已超过200亿美元,当然它的发电量是12个迷你反应堆的两倍。

在2016年12月,“努斯凯尔”向美国核管会提交了首份设计认证申请(DCA),包括12000页该申请报告于2017年3月15日获得核管会批准。

“努斯凯尔”(NuScale)由美国能源部投资(2000年-2003年),俄勒冈州立大学开发。通过技术转让,该计划的科学家们在2007年获得了相关专利的独家使用权,并逐步将其商业化。2013年,“努斯凯尔”获得美国能源部2亿多美元的经费支持。“努斯凯尔”目前正打算在位于爱达荷州的国家实验室建造首个使用“努斯凯尔”设计模式的核电厂,预计在2025年投入商业运营。

不过,仍有批评者称,尽管小型模块化核电厂的建设成本预计低于传统核电厂,但还是远高于其他类型的电厂,并没有从根本上解决核电成本高的问题。

    第四代核电呼之欲出

核能缺乏创新的主要原因是难以获得必要的设备和基础设施,来进行高度专业化且往往相当危险的研究。不过,美国仍在积极研发下一代核电反应堆,原因如下:

①国际能源机构估计,到2030年世界电力需求将翻番,美国能源部认为美国电力需求将在20年内增长45%。

②核能不受不可靠的天气/气候条件或自然资源供应不足的影响。

③维持或增加核能在国家能源结构中的份额将减少电价波动并为其他用途节省传统石化原料。

④核电通过控制温室气体和有害微粒的排放,有助于满足清洁空气要求。

⑤美国共有31个研究堆,大部分隶属于大学和国家实验室。国家实验室是基础研究的平台,可有效提供大学与工业接轨的桥梁。

第四代核能系统国际论坛(Generation IV International Forum, GIF)是对第四代核能系统进行研发的国际组织,主要成员包括:中国、美国、澳大利亚、加拿大、欧洲原子能共同体(Euratom)、法国、日本、俄罗斯、南非、韩国、和瑞士。

    第四代核电技术目前共有6个靠谱的设计概念,分别是:

气冷快堆(GFR)、超高温反应堆(VHTR)、超临界水冷堆(SCWR)、钠冷快堆(SFR)、铅冷快堆(LFR) 和熔盐反应堆(MSR)。

这些反应堆概念旨在满足世界对未来的能源需求:他们能有效地利用铀(许多可以使用贫铀或当前反应堆的“废”燃料);通过转化从当前反应堆中“消灭”大部分核废料;产生氢气供其他用途所需;本质安全且易于操作;与其他形式的能源生产相比,有明显的性价比优势,且建造和运营方的财务风险也不比其他能源高。

这些反应堆概念目前处于不同的发展水平,预计第四代反应堆的首次部署在2025年前完成。这些项目的发展潜力是巨大的,例如,设计每年消耗一吨铀的熔盐反应堆所提供的氢气,就能供应300万辆车使用。

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