研究報(bào)告建議美為先進(jìn)反應(yīng)堆部署奠定基礎(chǔ)

美國國家科學(xué)院、國家工程院和國家醫(yī)學(xué)院（簡稱“美國三院”）2023年4月27日聯(lián)合發(fā)布《為美國新型先進(jìn)反應(yīng)堆奠定基礎(chǔ)》報(bào)告。報(bào)告指出，先進(jìn)反應(yīng)堆可以在幫助美國實(shí)現(xiàn)長期氣候目標(biāo)方面發(fā)揮重要作用，但先進(jìn)反應(yīng)堆商業(yè)化應(yīng)用在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、監(jiān)管和社會(huì)接受度等領(lǐng)域面臨一系列挑戰(zhàn)，要到21世紀(jì)30年代才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)部署（詳見圖1）。報(bào)告建議美能源部、核管會(huì)、其他聯(lián)邦和州機(jī)構(gòu)以及私營企業(yè)積極采取行動(dòng)，為推動(dòng)先進(jìn)反應(yīng)堆成為美國能源結(jié)構(gòu)重要組成部分奠定必要基礎(chǔ)。

圖1 先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)預(yù)期發(fā)展時(shí)間表

這份報(bào)告由美國三院2021年1月組建的特設(shè)專家委員會(huì)撰寫。該委員會(huì)的職責(zé)是研究先進(jìn)反應(yīng)堆未來30年在美國實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的機(jī)會(huì)及其面臨的障礙。這項(xiàng)研究由美國國家工程院和能源部資助。

1 先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)

目前美國商業(yè)核電反應(yīng)堆均為輕水堆。先進(jìn)反應(yīng)堆在裝機(jī)容量、中子能譜、冷卻劑、燃料類型和運(yùn)行溫度等方面與當(dāng)前輕水堆有顯著差異，技術(shù)成熟度處于不同水平。模塊化小型輕水堆、模塊化小型鈉冷快堆和模塊化高溫氣冷堆技術(shù)成熟度較高，面臨的挑戰(zhàn)主要涉及獨(dú)特系統(tǒng)的監(jiān)管認(rèn)證、燃料和供應(yīng)鏈問題，以及運(yùn)行性能示范。氣冷快堆、氟化鹽冷卻堆、熔鹽堆、大型鈉冷快堆技術(shù)成熟度較低，在關(guān)鍵反應(yīng)堆特性的可行性和性能方面仍需要開展大量研究。先進(jìn)材料和制造技術(shù)能夠顯著提高先進(jìn)反應(yīng)堆的性能和經(jīng)濟(jì)性。雖然部分技術(shù)開發(fā)商計(jì)劃使用現(xiàn)有材料和制造技術(shù)進(jìn)行首堆示范，但材料和制造技術(shù)的進(jìn)步將有助于推進(jìn)先進(jìn)反應(yīng)堆的系統(tǒng)優(yōu)化以及安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的進(jìn)一步提升。

報(bào)告建議能源部為改善燃料和材料性能設(shè)定積極目標(biāo)，并啟動(dòng)相關(guān)研究計(jì)劃?？梢圆扇≡谀茉床亢四苻k公室和科學(xué)辦公室、核管會(huì)、電力研究協(xié)會(huì)、核工業(yè)企業(yè)、國家實(shí)驗(yàn)室和高等院校間建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系的方式實(shí)施。

2 未來電力系統(tǒng)

電力系統(tǒng)的未來發(fā)展將受許多因素影響，包括電力需求增加、分布式電力技術(shù)更多部署、電氣化水平提升以及需求側(cè)靈活性技術(shù)廣泛應(yīng)用。雖然預(yù)計(jì)可再生能源在電力結(jié)構(gòu)中的占比會(huì)大幅增長，但許多模擬研究發(fā)現(xiàn)，為降低供電成本并保障電力供應(yīng)安全，清潔基荷能源必將在未來電力結(jié)構(gòu)中占有一定份額。作為一種清潔基荷能源，先進(jìn)反應(yīng)堆在面臨新市場機(jī)遇的同時(shí)，也會(huì)面臨其他清潔基荷技電力技術(shù)的競爭。

表1 先進(jìn)反應(yīng)堆類別

表2 先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)成熟度

核電市場競爭力將高度依賴于其造價(jià)。研究表明，無論其他條件如何，如果隔夜造價(jià)降至2000美元/千瓦，先進(jìn)反應(yīng)堆將具有很強(qiáng)的市場競爭力。如果其他電力技術(shù)的成本高于預(yù)期，隔夜造價(jià)為4000～6000美元/千瓦的先進(jìn)反應(yīng)堆也將具有市場競爭力。即使隔夜造價(jià)超過6000美元/千瓦，先進(jìn)反應(yīng)堆也可能其他原因得到部署，例如為確保電力供應(yīng)安全，滿足偏遠(yuǎn)社區(qū)電力需求。未來需要進(jìn)行市場（包括電力批發(fā)市場）改革，以更好地體現(xiàn)先進(jìn)反應(yīng)堆在提高電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和韌性方面的價(jià)值。

3 控制成本

先進(jìn)反應(yīng)堆項(xiàng)目的前期融資費(fèi)用高于其他能源技術(shù)，原因是融資金額大、項(xiàng)目持續(xù)時(shí)間長以及可供選擇的融資方有限。能源部正在采取多種措施幫助技術(shù)開發(fā)商降低前期投資，包括通過“先進(jìn)反應(yīng)堆示范計(jì)劃”資助開發(fā)商推進(jìn)首堆示范，通過“加速核能創(chuàng)新接口”“國家反應(yīng)堆創(chuàng)新中心”和“核科學(xué)用戶設(shè)施”等計(jì)劃提供技術(shù)研發(fā)支持。雖然獲得“先進(jìn)反應(yīng)堆示范計(jì)劃”資助的先進(jìn)反應(yīng)堆最終造價(jià)仍具有不確定性，但政府資助金額和開發(fā)商的計(jì)劃投資額意味著首堆造價(jià)可能為4000～6000美元/千瓦這一水平的2～2.5倍。對于后續(xù)反應(yīng)堆，造價(jià)可以通過學(xué)習(xí)效應(yīng)快速降低，直至達(dá)到實(shí)現(xiàn)廣泛部署所需水平。

在這一領(lǐng)域，報(bào)告提出了兩條建議。一是能源部和核工業(yè)界應(yīng)制定和實(shí)施結(jié)構(gòu)化的持續(xù)支持計(jì)劃，在技術(shù)（測試、可靠性）、融資（成本、進(jìn)度）、監(jiān)管和社會(huì)可接受性等方面為先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)商業(yè)化進(jìn)程設(shè)立里程碑式節(jié)點(diǎn)（只有滿足相關(guān)節(jié)點(diǎn)要求，相關(guān)技術(shù)的商業(yè)化才能繼續(xù)獲得支持），目標(biāo)是確保為性能最佳的先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)提供充足支持，加速推進(jìn)其商業(yè)化進(jìn)程。二是聯(lián)邦和州政府應(yīng)提供量身定制的財(cái)政激勵(lì)措施，例如延長2022年《降低通貨膨脹法》激勵(lì)措施的有效期，為推進(jìn)核能發(fā)展創(chuàng)造適當(dāng)?shù)氖袌霏h(huán)境。

4 非電力應(yīng)用

除了發(fā)電，核能還可以滿足制氫、海水淡化、區(qū)域供暖、化工廠等設(shè)施的能源需求，能夠助力工業(yè)、交通等行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳減排。鑒于氫具有助力幾乎所有經(jīng)濟(jì)部門碳減排的潛力，制氫可能成為未來先進(jìn)反應(yīng)堆的可靠收入來源。未來業(yè)主不僅可以建設(shè)專門用于滿足非電力需求的反應(yīng)堆，還可以建設(shè)由反應(yīng)堆和可再生能源組成的混合能源系統(tǒng)：當(dāng)外部電力需求大時(shí)，將反應(yīng)堆用于發(fā)電；當(dāng)外部電力需求不足時(shí)，將反應(yīng)堆用于生產(chǎn)其他產(chǎn)品，例如氫。

報(bào)告指出，為工業(yè)過程提供熱能是先進(jìn)反應(yīng)堆的重要新應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)這一應(yīng)用，需要在系統(tǒng)集成、運(yùn)行、安全、社區(qū)接受度、市場規(guī)模（取決于明示或隱含的碳價(jià)水平）和監(jiān)管等領(lǐng)域開展大量研究。報(bào)告建議能源部在電力研究協(xié)會(huì)等行業(yè)組織和核供應(yīng)商的支持下，對系統(tǒng)集成、運(yùn)行和安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行系統(tǒng)性分析，為投資者提供切實(shí)可行的部署模式。

5 項(xiàng)目管理與施工

近幾十年，美國和歐洲核電項(xiàng)目均沒有按照預(yù)算或既定日程完成建設(shè)。相當(dāng)部分（有時(shí)是大部分）成本增長源于土建工程，例如混凝土結(jié)構(gòu)和電廠配套設(shè)施。這種增長由多種因素造成，包括沒有足夠的工程技術(shù)員來開展項(xiàng)目的規(guī)劃和管理工作。報(bào)告指出，雖然從技術(shù)角度證明先進(jìn)反應(yīng)堆具有可行性至關(guān)重要，但更重要的是確保整座電廠（包括現(xiàn)場土建工程）能夠按照預(yù)算和既定日程完成建設(shè)。鑒于現(xiàn)場施工成本很可能仍然是造價(jià)的重要組成部分，能源部應(yīng)加大對現(xiàn)場施工技術(shù)研發(fā)的支持力度，廣泛推廣先進(jìn)施工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)降本增效。

部分先進(jìn)反應(yīng)堆供應(yīng)商準(zhǔn)備采用新型建設(shè)方式，即在工廠制造反應(yīng)堆，然后運(yùn)至廠區(qū)安裝，目的是降低施工風(fēng)險(xiǎn)、縮短建設(shè)周期和提高質(zhì)量。但是，對于涉及大量現(xiàn)場施工作業(yè)的項(xiàng)目，以具有成本效益的方式及時(shí)完成整個(gè)土建工程施工仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。報(bào)告建議，多家核電業(yè)主/運(yùn)營商應(yīng)組建專門負(fù)責(zé)核電建設(shè)的聯(lián)合體或合資企業(yè)，以便能招募和保持必要的熟練工程技術(shù)人員隊(duì)伍。或者，如果決定使用傳統(tǒng)項(xiàng)目交付模式，先進(jìn)反應(yīng)堆供應(yīng)商應(yīng)考慮與具有核工業(yè)經(jīng)驗(yàn)的施工企業(yè)建立長期業(yè)務(wù)關(guān)系，最好采用組建合資企業(yè)或聯(lián)合體的方式。

報(bào)告指出，鑒于先進(jìn)反應(yīng)堆廣泛部署將需要大量熟練勞動(dòng)力，能源部應(yīng)在政府內(nèi)部建立跨部門合作伙伴系，并與勞工組織、行業(yè)、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和其他組織合作，確定關(guān)鍵領(lǐng)域的勞動(dòng)力缺口，并為相應(yīng)的培訓(xùn)計(jì)劃提供資金，及時(shí)彌補(bǔ)這些缺口，以支持先進(jìn)反應(yīng)堆快速部署。

6 監(jiān)管

美國現(xiàn)有核安全監(jiān)管要求主要針對現(xiàn)有輕水堆，不適于先進(jìn)反應(yīng)堆，尤其是不以水為冷卻劑的反應(yīng)堆。推進(jìn)先進(jìn)反應(yīng)堆商業(yè)化，核管會(huì)必須調(diào)整現(xiàn)有監(jiān)管要求，使其適于先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)特點(diǎn)。報(bào)告指出，如果不調(diào)整監(jiān)管要求，先進(jìn)反應(yīng)堆將不會(huì)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。如果要實(shí)現(xiàn)及時(shí)部署，就必須迅速明確新技術(shù)的監(jiān)管要求。鑒于核管會(huì)相關(guān)準(zhǔn)備工作的緊迫性，國會(huì)應(yīng)每年向核管會(huì)增加千萬美元數(shù)量級的資源投入，并且這些資源不是源自現(xiàn)有許可證持有者和申請者支付的費(fèi)用。

7 社會(huì)接受度

先進(jìn)反應(yīng)堆在美國碳減排方面發(fā)揮重要作用，首先必須獲得社會(huì)認(rèn)可。應(yīng)從設(shè)計(jì)階段工作開始考慮社會(huì)接受度問題，并在整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過程中持續(xù)加以關(guān)注。相關(guān)企業(yè)應(yīng)與可能受新技術(shù)影響的社區(qū)溝通，傾聽其需求和關(guān)切，并據(jù)此調(diào)整計(jì)劃。社會(huì)學(xué)方法必須成為核能研究和開發(fā)工作的一部分，并與技術(shù)發(fā)展同樣嚴(yán)肅對待。新的風(fēng)險(xiǎn)溝通策略——基于嚴(yán)格的社會(huì)學(xué)方法（超越投票）和對社區(qū)擔(dān)憂和關(guān)切的尊重——可以極大地改善未來幾十年的核能部署前景。報(bào)告建議，核電開發(fā)商和業(yè)主應(yīng)采用基于共識的方法來開展核設(shè)施選址工作。

8 安全和保障

先進(jìn)反應(yīng)堆部署會(huì)帶來新的安全（實(shí)體和網(wǎng)絡(luò)）和保障（防止擴(kuò)散）風(fēng)險(xiǎn)。報(bào)告建議，核管會(huì)應(yīng)盡快根據(jù)先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)特點(diǎn)修訂現(xiàn)有安全要求，促使技術(shù)開發(fā)商在最初設(shè)計(jì)中就對相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)加以考慮。在這一領(lǐng)域，美國能源部已制定和實(shí)施一系列計(jì)劃，如“先進(jìn)核安全、廢物和能源研發(fā)”“加速核能創(chuàng)新接口”和“國家反應(yīng)堆創(chuàng)新中心”，幫助技術(shù)開發(fā)商將安全和保障納入反應(yīng)堆規(guī)劃和設(shè)計(jì)過程。

9 國際部署

許多技術(shù)開發(fā)商正在積極開拓國際市場。為支持這一行動(dòng)，美國政府需要與現(xiàn)有核電國家和新興核電國家簽署更多的核合作協(xié)議。想要在國際市場上與俄羅斯國家原子能集團(tuán)公司等國營企業(yè)競爭，美國開發(fā)商不僅需要研發(fā)出技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均可行的先進(jìn)反應(yīng)堆，還需要得到可靠的出口信貸融資支持。報(bào)告指出，美國先進(jìn)反應(yīng)堆的出口需要獲得由聯(lián)邦撥款、貸款和貸款擔(dān)保以及各種形式私人股本和債務(wù)融資相結(jié)合的融資方案的支持。政府應(yīng)與私營部門合作，為美國出口商提供有競爭力的融資方案。

國家間監(jiān)管要求差異可能會(huì)阻礙先進(jìn)反應(yīng)堆國際市場開拓。該報(bào)告敦促美政府采取以下措施幫助開發(fā)商消除這一阻礙：在短期內(nèi)通過雙邊安排（例如美國核管會(huì)與加拿大核安全委員會(huì)2019年8月簽署的先進(jìn)反應(yīng)堆聯(lián)合技術(shù)審查備忘錄）進(jìn)行更廣泛的國際監(jiān)管協(xié)調(diào)；從長遠(yuǎn)來看，通過與國際原子能機(jī)構(gòu)和經(jīng)合組織核能機(jī)構(gòu)的協(xié)商。

10 結(jié)語

核電目前占美國總發(fā)電量的近20%，是最大的低碳電力來源。核能是一種清潔基荷能源，未來能成為太陽能和風(fēng)能等間歇性可再生能源的有益補(bǔ)充。核能還具有多元化應(yīng)用前景，能夠助力其他行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳減排。美核工業(yè)企業(yè)正在政府支持下開展先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)研究，預(yù)計(jì)首批先進(jìn)反應(yīng)堆將在2030年之后實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。美國政府各部門（特別是能源部和核管會(huì)）、核工業(yè)和金融界需要在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、監(jiān)管和社會(huì)接受度等領(lǐng)域采取積極行動(dòng)，加速推進(jìn)先進(jìn)反應(yīng)堆商業(yè)化應(yīng)用，助力美國2050年凈零排放目標(biāo)。