“2030年世界电力诉求将翻番 美国核电产业正在寻求突破”

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作为世界上最大的核电站生产国，美国生产的核电站占世界发电量的30%以上，占美国发电总量的20%。 但是，美国核电的生产能力大部分都是40年前批准生产的，现有的核反应堆相继退役。 以前流传下来的核电投资大，安全要求高，与低价天然气和政府补贴的风力发电竞争不太容易，但美国的核电正在探索新的快速发展方向。 】

美国南德克萨斯核电站的鸟瞰图。

美国的商业反应堆大多是民营企业的全部，核工业整体的个人参与度远远高于其他国家。 由于核电投资大、回收周期长，与廉价天然气和政府补贴的风力发电竞争不容易，安全防护要求不断提高，成为核工业开发创新的绊脚石。

三里岛核电站事故是个转折点

根据美国能源新闻管理局官网数据，2009年，美国发电总量为4015万亿瓦时，其中天然气发电为1273万亿瓦时( 31.7% )，煤电为1208万亿瓦时( 30.1% )，核电为805万亿瓦时( 30.1% )

资料来源:美国能源新闻管理局官网制图/曲径。

现在美国有99座核电站，分别由30家不同的电力企业运营。 大多数美国的核能发电能力在1978年之前得到批准，来自1967年至1990年间建造的核反应堆。 这是因为多年来的天然气发电在经济上更具吸引力，1979年三哩岛事故后对安全的担忧加剧，以及1979年代反核派屡屡阻挠，限制了美国核电的快速发展速度。

20世纪50年代末，世界上第一个商业核电站希平港( shippingport )开始运营。 20世纪80年代，它成为美国第一座成功退役的核电站。

世界上第一个投入商业运行的核电站——米希平港( shippingport )核电站于20世纪80年代退役。

美国最严重的核电站事故发生在1979年3月28日，位于宾夕法尼亚州米德尔顿附近的三里岛核电站。 当时2号反应堆堆芯熔融破坏的原因是压力阀的故障、设计问题、人为错误。 但是，西方反应堆非常保守的设计大体上没有人员伤亡，事后也没有发现相关癌症病例。 尽管如此，三里岛事故仍然是美国核电业的重要转折点。 它带来了应急计划、反应堆操作员培训、人为因素工程、辐射防护等多个核电站运行行业的大规模变革，又是美国核管理委员会收紧和加强了其监管，提高了安全性。

但是，人们开始质疑核电站的建设，多个订单和项目被取消或延期，政府对核工业的安全要求也大幅提高。 从那以后，美国30年没有颁发新核电站建设许可证，批准的新工厂建设普遍延期，费用远远超过了预算。

但是，美国核工业并未就此衰退，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。 美国核电的大部分生产能力来自1977年之前批准建设的核反应堆，这些核反应堆于1980年代首次开始运行。 到1990年，美国有100多个核反应堆。 虽然新工厂的建设停滞不前，但通过改善现有核电站的原料供应、维护和安全系统，美国核工业在电厂利用率方面取得了显著成果。 进入本世纪，美国核电站的平均净容量系数(衡量装机容量比较有效利用率的指标)超过了90%，所有安全指标都超过了目标。

风电可能是最强大的同业竞争对手

高昂的价格可能是美国核电迅速发展停滞的直接原因。 美国核电有两个强大的竞争对手:低价天然气(特别是页岩气)和获得政府补贴的风电。 二氧化碳排放征税有助于核能发电与天然气和煤炭的竞争，但短期内不会制定这项政策。 核电设备每千瓦运行价格高，没有竞争力，天然气价格低，风力发电机可获得2.3美元/千瓦时的联邦生产退税，可优先接入电网。 市场价格在4美分/千瓦以下时，核电站的状况很窘迫。 艾克斯隆( exelon，美国最大的核电运营商)企业认为，核电与廉价天然气竞争，还能苟延残喘，但得到政府补贴的风力发电可以对核电造成毁灭。 风力目前只是电力供应的一小部分，大部分时间停产或半停产，但其对电价和电厂生存的影响“非常重要”。

原子能支援者、美国原子能研究所( nuclear energy institute )的马修·瓦尔德认为，温室气体的减排目标必须与核基础设施的投资相联系。 “我们不同意目前市场的运营。 因为市场没有为清洁空气体支付任何费用。 解释说“美国的某个州有二氧化碳削减目标”。 他建议，美国电网区域运输组织根据碳排放调整电价，使更清洁的核能更具竞争力。 但是，促进这一点需要很多政治意愿。

反对核电站的人认为，如果工厂不能用于发电，就需要大量的资金。 退役需要数十年，由于放射线和结构的繁多，复杂性会带来多重安全风险。

美国现任总统特朗普注重经济效益，签署了能源独立政策行政命令，减少政府对风力发电等清洁能源的财政补贴。 特朗普认为，美国电力应该“负担得起、电力可靠、可以避免事故、可以防御攻击、清洁无害”，因此美国核能产业界迎来了转机。

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。

核电站的建设远远超出了预算，被放弃了

1979年三哩岛核事故后，美国最先批准的两个核电站新建项目是南卡罗来纳州的休姆( v.c.summer )核电站和乔治亚州的福格特( vogtle )核电站。 这两座核电站的建设于2008年相继公布，当时被称为“美国核工业的文艺复兴”。

美国核管会检查员访问“福格特”核电站

但是到了年，“烟尘”核电站花了100多亿美元，大大超过了预算，工程严重逾期，继续建设核电站的预算也明显增加。 运营商南卡罗来纳电气企业( santee cooper )和桑迪·库珀( santee cooper )企业决定放弃建设核电站。

福格特核电站位于美国东南部的乔治亚州巴克县，1号机组和2号机组分别于1987年和1989年完工，3号机组和4号机组正在西屋ap1000核反应堆的装置中建设。 这是目前美国唯一正在建设的核电站项目，但同样大大超过了预算，工程严重逾期。

在美国“福格特”核电站的鸟瞰图中，穹顶结构为现有的1号和2号反应堆，3号、4号反应堆的工地在左侧。

这两个项目使承包商西屋企业损失了近100亿美元，被迫申请破产保护。 价格过高是因为社会追求完美，避免了安全隐患。 严格的监管要求，增加了工程多、复杂性。 日本福岛核电站事故后，核安全监管要求进一步大幅提高，核能领域仍缺乏经济比较有效的严格监管应对经验。

西屋企业ap1000核电机组是最新的第三代核反应堆技术，具有固有的安全特点。 不仅用于“烟尘”和“福格特”核电站，还用于我国浙江三门和山东海阳两个核电站。 年3月，西屋企业和30家关联企业申请破产保护，涉及数万债权人。 西屋表示将继续致力于ap1000技术，继续支持在中国建设的工厂。 西屋企业在核燃料业务和运营工厂的业务收入很好，但是新的核电站赤字很大。 今年年初，西屋企业完成破产重组，经营核燃料和核电站的部门继续营业。

最近在美国建成的核电站是田纳西州的“瓦茨”( watts bar ) 2号机组，也是20多年来唯一建成的新核电站。 “瓦茨巴”1号机和2号机从1973年开始施工，出现了很多延迟。 1号机组于1985年暂停，1996年完工的2号机组于1988年暂停，2007年重新开工，到年才完全建成，年开始运转。

由于投资额大、周期长、利润低、风险高，核工业在市场上确实举步维艰，未来核电站建设的预算令人瞠目，面对如此严峻的商业环境，美国核工业部门也在寻求新的契机。

降低价值成本的小型模块或趋势

价格高、工期长的核电站经济风险太高，无法吸引投资。 那么，美国核工业要去哪里呢？

一是建立小型模块式反应堆。 其目标是简化施工过程，批量生产可以安装常规设备的核反应堆。 小型模块化反应堆的工作方法与大型工厂基本相同，但建设时间和总价格将大幅缩短。 模块可以在工厂制作，之后整个模块被运到现场，大大降低了现场组装的难度。 这样，最核心的事业就从昂贵生产效率低的建筑工地转移到了比较便宜生产效率高的制造工厂。

“努斯克尔”核反应堆运输和工厂布局图。

“努斯克尔”( nuscale )是由民营企业“努斯克尔能源”( nuscale power )设计的小型模块化加压水反应堆。 这是自然循环轻水炉，堆芯、升压器、螺旋线圈蒸汽发生器位于核反应堆容器内，核反应堆容器位于圆筒形钢制安全壳内。 反应堆容器封闭模块浸渍在反应堆安全池中，该池也是反应堆的最终散热器。 核反应堆建筑物的水池部分位于地面以下，采用被动水循环，无需动力泵和循环设备即可运行。 这提高了安全保障，降低了生产价格。

“努斯克尔”核反应堆剖面图。

努斯克尔一个模块的长度不足25米，直径4.6米，重约450吨，能产生000万瓦的电力。 一个核电站最多包括12个“努斯克尔”小型核反应堆，共产生6亿瓦电力，约为一个西屋ap1000发电机组输出的一半。 每个“努斯克尔”反应堆模块都包含简单、冗余、多样化和独立的安全功能。 这个计划可以连接多个小型核反应堆向整个城市供电，比大型核电站有更高的电力效率。 12座迷你反应堆核电站投资约30亿美元，建设的“福格特”核电站投资超过200亿美元，当然其发电量是12座迷你反应堆的两倍。

努斯克尔控制室的图像监视着12个小型模块化反应堆。

年12月，努斯克尔向美国核管会提交了第一份设计认证申请( dca )。 这包括12000页的申请报告于年3月15日得到核管会的批准。

“努斯克尔”( nuscale )是美国能源部投资( 2000年-2003年)，由俄勒冈州立大学开发的。 通过技术转让，该计划的科学家们于2007年获得了相关专利的独家采用权，并逐渐商业化。 年，“努斯克尔”得到了美国能源部2亿多美元的经费支持。 努斯克尔目前正在爱达荷州的国立研究所建设第一个采用“努斯克尔”设计模式的核电站，预计将于2025年开始商业运营。

但是，也有人批评说，尽管小型模块式核电站的建设价格预计比以前流传的核电站要低，但远远高于其他类型的核电站，没有从根本上处理核电站价格高的问题。

第四代核电站出来了

核能创新的首要原因是高度专业化，往往难以获得进行非常危险的研究所需的设备和基础设施。 但是，美国出于以下理由积极开发新一代核电站。

①国际能源机构估计，到2030年，全球电力需求将翻番，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/气候条件和自然资源供给不足的影响。

③维持或增加核能在国家能源结构中的份额，可以减少电价波动，为其他用途节约石化原料。

④核能发电通过抑制温室气体和有害微粒的排放，有助于满足清洁空气体的要求。

⑤美国有31座研究山，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，可以比较有效地提供大学和工业之间的桥梁。

第四代原子能系统国际论坛( gif )是开发第四代原子能系统的国际组织，主要有中国、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、瑞士

第四代核电技术目前有六个可靠的设计概念。 分别如下所示。

气冷快堆( gfr )、超高温核反应堆( vhtr )、超临界水冷堆( scwr )、钠冷快堆( sfr )、铅冷快堆( lfr )、熔盐堆( msr )。 。

这些核反应堆的概念旨在满足世界未来的能源需求:他们可以比较有效地利用铀(贫铀和目前可以利用核反应堆的“废”燃料)。 用于通过转换产生氢气的其他用途，该氢气通过目前的核反应堆“消灭”大部分核废料； 与本质上安全、易于操作的其他形式的能源生产相比，具有明显的性价比特点，建设和运营方面的财务风险也不比其他能源高。

这些反应堆的概念目前处于不同的快速发展水平，预计第四代反应堆的首次部署将在2025年之前完成。 这些项目的快速发展潜力巨大，例如，设计每年消耗1吨铀熔盐反应堆提供的氢气，可提供300万辆车供采用。 (《环境与生活》杂志的提供)