2030年世界电力需求将翻番 美国核电产业正在寻求突破

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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，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。

　　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，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。

　　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％。

　　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。

　　核能系统国际论坛（Generation IV International Forum, GIF）是对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。

　　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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