美国先进核能准备“商业起飞”?

《世界核新闻》3月23日报道[1]，美国能源部发布《“商业起飞”之路：先进核能》报告[2];美国核学会“核新闻”专栏3月31日发文说[3]，到2025年，美国先进核能“起飞”需要5-10个反应堆合同，还说，“如果等到2030年代中期才在美国大规模部署先进核能，可能会错过脱碳目标，并对供应链产生严重影响。”这些资料，对我们理解核能转型、升级的重要性，制定国家相关战略规划或许具有参考价值。

美国能源部先进核能“商业起飞”之路

美国能源部长珍妮弗•格兰霍姆(Jennifer Granholm)近期宣布的《商业起飞之路：先进核能》，旨在为公共和私营部门的资本配置者提供一个视角，使之了解各种技术如何以及何时能够达到全面商业应用。3月21日首次发布的“起飞报告”，内容涵盖清洁氢气、先进核能和长时间储能，并设计为“活文件”，将随着每项技术商业化前景的发展及时更新。

这些报告发现，到2030年，在制氢、核能和长时间储能领域的累计投资，必须从约400亿美元增加到3000亿美元，并持续加速到2050年，才能陆续实现长期脱碳目标。

按照美国能源部的说法，普遍认为先进核能是一种清洁、坚挺的能源，能可靠地补充广泛的可再生能源建设，是实现美国脱碳目标的关键，同时有潜力创造长期、高薪的就业机会，并提供新的经济机会。然而，报告也指出了存在的障碍，包括增加成熟技术的部署以及建立高效和及时的交付模式。

该报告称，迅速扩大核工业基础就能使短期内脱碳成为可能，也能提高资本效率：如果2030年开始部署，2040年就能把每年的部署增加到13GW(吉瓦)，2050年就能配置到200 GW。如果推迟五年扩大工业基础，同样实现200GW的部署，每年就需要增加到20 GW，还可能导致所需资本增加50%。

《商业起飞之路：先进核能》指出，到2050年，美国国内核电装机容量有可能从目前的100GW左右扩大到300GW左右，但是“在潜在客户和部署所需核工业基础投资之间存在商业僵局”。“公用事业部门和其他潜在客户都承认需要核能，但他们意识到，有‘失控’的成本超支和项目被迫放弃的风险，限制了新堆的承诺订单”。

美国能源部长珍妮弗•格兰霍姆在ARPA-E能源创新峰会上

观看X-energy公司三维虚拟现实电厂的演示。

商业化之路

该报告提出了美国先进核能达到商业规模的途径，包括致力签署订单、项目建设和产业化三个相互重叠的阶段。为促进“商业起飞”，需要有个承诺订单。例如到2025年，部署的5-10个设计，至少每个设计要有一个反应堆设计已签订合同。一旦确定了“临界体量”需求(critical mass of demand)，按时、按预算建成首批商业项目将成为最重要的挑战。随着势头增强，需要扩大产业基础，包括人力配置、供应链和申请许可证在内。

扩建工程建设需要来自私人和公共7000亿美元或更多的资源。但该报告指出，尽管美国客户通过谅解备忘录或意向书表示，他们对建设核反应堆感兴趣，然而到2023年1月，美国还没有已承诺的新核反应堆订单。

该报告称，到2050年，美国新型核能装机容量要达到200GW，需要“公共和私营部门审慎的行动”。报告中提出的可能的解决方案包括汇集私营部门需求，以分散风险。例如，通过组建一个承诺建造5-10个或更多反应堆的公司联盟，就可通过分担成本和潜在的超支，帮助降低最初构建项目的风险，或者由开发商批量建造反应堆，然后租赁或销售反应堆，或者通过电力购买协议将电力出售给最终用户。

美国能源部计划随着每项技术商业化前景的发展更新其“起飞报告”，并将继续通过行业论坛、信息请求和其他互动方式征求意见。公众可通过电子邮件向liftoff@hq.doe.gov直接提出意见。

美国先进核能“起飞”，到2025年需要5-10个反应堆合同

美国能源部发布的《商业起飞之路：先进核能》，是在清洁能源技术以及私人和公共投资方面，全面部署需要克服各种障碍系列报告中的第一份。该报告明确提出了投资核能的理由，并要求潜在投资者和运营商打破目前“观望”的僵局，拿出“一份坚定的订单”：到2025年至少部署5-10个反应堆设计。

相对推迟五年，到2050年实现同样200GW的部署。

怎样快速扩大核工业基础才能在短期内实现脱碳并提高资本效率?

“起飞”的定义

根据“先进核能报告”，“起飞”指一个产业为实现美国脱碳目标，实现自行持续的经济和技术状态。

美国能源部说，其“起飞报告”已“通过广泛的利益相关者参与以及系统级建模和项目级财务建模相结合编制完毕……它们不反映能源部的官方政策或战略计划;它们是一种资源，旨在为整个行业、投资者和更广泛的利益相关者社团的决策提供信息”。

在讨论某些细节之前，需要再多些定义。诸如“小型模块化反应堆(SMR)”和“先进堆”等有用(甚至过度使用)的术语，已被“量身定制”过，适用于几十个可能没有太多共同点的设计。在这个报告中，先进堆包括“一系列经过验证的创新技术”，分为两类：III+和第IV代。III+设计采用水冷却并以低浓缩铀为燃料，而第IV代设计使用“新型”燃料和冷却剂。III+代和IV代反应堆都可以分为“大型反应堆(~1 GW)、小型模块化反应堆(~50-300MW)和微堆(50MW或以下)”。

核能“起飞”的首要步骤

先进核能的开发商，必须有“已委托的订单，例如，一个已签署合同的反应堆设计，到2025年，至少要部署5-10个反应堆，以促进美国的商业起飞”。该报告大胆指出，“考虑到美国公用事业公司的风险承受能力，首个达到‘临界体量’订单的设计很可能是III+型SMR，之后并行或接序跟进的可能是IV代反应堆。”

第二步。该报告指出，为创造持续的需求和商业动力，至关重要的是“按时和按预算(即±20%)建成这些电厂”。虽然执行良好的核能建设项目，同类首个(FOAK)的成本估计为 ~$6,200 /kW，但在美国最近的核建设项目，隔夜资本成本(或称“基建成本”)已超过$10,000/ kW。

“在成本不超支的情况下建成FOAK项目，需要在广泛的前期规划中进行投资，以确保从最近的核能项目超支中吸取教训。这将取决于学习效率，经10-20次部署后，预计后续核能项目的成本曲线能降到~$3,600/ kW;这种成本降低主要是工作经验和产业基础规模扩大推动的。”

与其他能源相比，核能价值主张的选择要素。

明显的例证

该报告强调核能的容量因子和土地利用效率，两者超过任何其他发电资源。该报告称，“先进核能的六大特点，即清洁发电、稳定性、占地面积小、传输要求不高、区域经济效益与互补利用，都有助于在脱碳网络中实现其价值主张。”

据该报告称，美国核电群目前的装机总容量不到100GW，但通过部署先进核反应堆，有潜力到2050年扩大到约300GW，而尽快开始增建是成功的关键。

该报告称，“快速扩大核工业基础就能在短期内实现脱碳，提高资本效率。”“如果在2030年开始部署，到2040年将年部署增加到13GW，到2050年就能提供200GW;如扩大产业基础推迟5年，则需每年增建20+GW，才能实现同样200 GW的部署，还可能使所需资本增加50%。”

明确的需求

直到2050年，先进核能的这种部署水平，需要在人力资源、燃料供应链、设备供应链以及颁发许可证等四个关键领域，建立更强大、更灵活的资源基础设施。根据这个报告，美国的需求如下：

·新增约37.5万名专业技术和非技术性的工作人员，以建设和运营200GW的先进核能。

·每年增加约5,000公吨核燃料制造能力，每年增加约50,000公吨八氧化三铀(U3O8)矿物研磨产能，并把约65,000公吨转化为六氟化铀(UF6)，每年还需要增加约3,000万分离工单位(SWU)的浓缩能力，包括高含量低浓缩铀(HALEU)的浓缩能力。

·设备供应链大幅度增加，以支持200GW的先进核能，最大缺口是大型锻件。

·美国核管理委员会(NRC)颁发许可证的能力，要从每年约0.5GW扩大到每年13GW，以满足预期的需求，很可能需要NRC大量增加各种资源。

“等等看”没用

在为此报告进行采访期间，美国能源部发现“多个公用事业部门表示，在承诺之前，他们希望‘等等看’首批部署的先进堆如何达到成本和进度的预期”。

该报告指出，“僵局含有重大风险”。“一个临界体量的反应堆，如果没有实现其需求量，供应链就很难‘站住脚’，而且重复部署的‘学习曲线’不可能向下移动……由于预计两年获得许可证和三至五年的建设时间，‘等等看’首批部署的结果，很可能导致无法实现脱碳目标，错失建立强大的美国核工业基础的机会。”

该报告断言，“由于存在成本超支、进度超期的风险，在没有复苏速度的情况下，不太可能出现‘先行者’(first mover)部署先进核能。因此，与商业或非传统公司相比，受监管的公用事业部门或公用电力公司更可能成为‘先行者’。”

政府的职责

美国能源部的“起飞报告”，旨在引导已在《两党基础设施法》和《减少通货膨胀法》内获得授权的清洁能源投资，但也向国会指出可能还需要未来授权和拨款的支持机制。

该报告指出，“为打破目前的僵局，并在2025年之前，相同设计的核反应堆达到5-10个需求，不同形式的政府财政支持可能有助于降低早期项目的风险，并加速私营部门的承诺。”报告描述了四种潜在的政府支持机制：成本超支保险;通过分层的赠款提供财政援助，向“先行者”提供大部分资金，并减少后续部署的金额;政府拥有核电站，无论通过联邦政府拥有的电力公司，或者为军事设施和其他国家安全基础设施供电;以及承购协议，如长达10年的直接电力购买协议。

还要关注非轻水堆的测试基础设施。“美国曾计划建一个试验快堆，即多功能测试堆(VTR)，但2022年已不再提供拨款。全球运行的快中子试验堆屈指可数，大多在俄罗斯。为成功部署IV代反应堆，美国需要投资建造试验快堆，或者与其他国家合作，使用他们的实验堆，支持IV代反应堆的部署。”

见解与思考

1. 先进核技术进步与全球气候变化和环境危机直接相关。各种新能源技术适时“商业起飞”，是“天”大的事业，因为它关乎人类健康与生活质量，其重要性怎么强调都不为过。先进核能的优势，最关键的是安全、经济成本，对环境基本没有不利影响。美国目前走在世界前列，在这方面有技术积累，教训可以转化为经验，值得我们认真关注。

2. 美国决绝地转向先进小型模块式反应堆(aSMR)，其目标是取代退役的火电厂，降低投资35%。这个选择的动因，适合全世界所有国家，特别是没有核技术基础的发展中国家，也包括我国广大内陆地区。

3. 美国先进的轻水冷却、模块式小堆，两种堆型设计(NuScale-60和BWRX-300)已通过NRC审评，进入批量建设准备阶段，2020年代内大量建设没有技术和安全障碍。特别是BWRX-300，核岛内无能动部件，安全、经济性好，有可能超越先进的PWR。

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艺术家对GE-Hitachi 公司设计的BWRX-300型BWR的想像

(2028年在加拿大皮克灵核电站现场建成发电)[4]

4. 美国与其邻国加拿大合作，微堆和第IV代核能系统正在安排实验堆示范，最值得关注的是陆地能源公司的TMSR-400(热堆)和泰拉能源公司的MCRE(氯化物熔盐快堆MCFR的核岛实验装置)，有可能在近期或20年代末期投入运行或进入实验试运行……

MCRE反应堆实验装置在INL科技园区零功率物理反应堆安全壳内的三维图像[5]

5. 按照美国能源部的说法，“起飞报告”包含通过广泛的利益相关者参与、系统级建模和项目级财务建模开发的见解和卖点，旨在作为一种资源，为整个行业、投资者和更广泛的利益相关者社团的决策提供信息，但不反映美国能源部的官方政策或战略计划。

6. 格兰霍姆也说，“在我们应对气候危机并朝着公平的清洁能源未来迈进的过程中，公共和私人伙伴关系将比以往任何时候都更加重要和关键”。“这个‘起飞报告’将有助于推动政府和行业之间的接触，以释放令人兴奋的新机遇，确保美国在下一代清洁能源技术方面处于全球领先地位。”美国从不隐晦、公开承认核能建设出现的问题与深痛的教训，这是它的体制带来的优势……

参考资料与注释

[1] WNN, DOE issues first Commercial Liftoff reports, 23 March 2023.

[2] ANS, Watch for it—Advanced nuclear “liftoff” needs 5–10 reactor contracts by 2025, March 31, 2023.

[3] DOE, Pathways to Commercial Liftoff: Advanced Nuclear, March 21, 2023.

[4] Sonal Patel, Major Nuclear Players Team on Innovative Construction Delivery Approach for BWRX-300 SMR at Darlington, POWER, Feb 2, 2023.

[5] DOE/EA-2209，Draft Environmental Assessment for the Molten Chloride Reactor Experiment (MCRE) Project, March 2023.

Nuclear Power：通常译为“核电”，称其为“核能”更全面，因为应当包括“核供热”甚至“核能制氢”在内。

GW：吉瓦，如1GW，即1000MW，或称100万千瓦。

Critical mass of demand：“临界体量”需求量，指某种反应堆设计按时和按预算(即±20%)建成，能实现“创造持续需求和商业动力”订单的数量。显然，这个数量“越少越好”。文中暗指这个订单数是5-10台机组。