來源：核工程師的博客
編譯：鏡清
美國機械工程師學會（ASME）網站曾發表羅姆尼·達菲（Romney Duffey）和伊戈爾·皮奧羅（ Igor Pioro）的長篇評論，專門討論現代核能在控制碳排放世界的未來。他們認為，核電行業必須信奉新理念，在可能出現真正的“核復興”之前，開發安全、簡單、成本有競爭力的反應堆[1]。這種觀念，值得核工業技術與決策人士深思。
我們應該生活在核工業最好的時代。核能與其他能源相比，有明顯的優勢。它和天然氣、石油或煤炭不同，幾乎不產生任何凈碳排放，或多或少一直在運行”，容量因子比風能或太陽能高幾倍。核電站與水電大壩不同，可建在各種各樣的地方，而且占地面積小。
更重要的是，十多年來貸款利率一直很低，有經濟能力給大型基建項目融資。這對核電來說至關重要，因為它的運營成本很低，只是前期成本很高。
最關鍵是，核能得益于世界各國政府謀求能源安全和供應多樣化，有政治、技術和經常的財政支持。誠然，并不是每個政府一直都支持，德國就是其中之一，已關閉了自己的核動力堆群。但是一般來說，政府根據當地的政治形勢，提供研發資金、稅收減免，甚至為建設資金提供貸款。
21世紀初，人們談論的所謂“核復興”，是計劃建造數百座新型核電站?，F在本應該看到這方面的成果，但并沒有出現。
發展中國家或“新興”國家，包括中國、俄羅斯、印度、巴西和阿拉伯聯合酋長國，對核工業一直感興趣，而且還在擴大。即使在美國，運營改善也導致凈發電量增長。2019年4月，核電機組的發電總量超過了燃煤機組。
但是，總的來說，傳統工業化國家，核工業的特點是停滯和倒退，不是復興。幾乎沒有在建的新機組，而現有的機組也在退役。
形勢
展望2050年，國際原子能機構(IAEA)認為，全球電力市場，最樂觀的核能份額僅為5%左右，低于目前的10%；在美國和歐洲，市場份額穩步下降到3%-5%，構成潛在的市場“失敗”。
導致停滯不前，明顯的、完全不可否認的因素是:
· 切爾諾貝利和福島事故的“余波”。問題不在于這些事故本身造成多大的損失，而是其高昂的成本，即便財力最雄厚的業主或運營商，也會因此破產。公眾的恐慌導致許可證發放時間延長、設計成本增加，還要給現有和新建的核電站提供額外的備用電源和冷卻選項。
· 非常規石油和天然氣產量大增。由于“水力壓裂”，美國正在生產、甚至出口廉價的化石燃料。這就削弱了全球核工業的銷售額，使核電站在開放的電力市場上失去競爭力。在這種市場，可以得到更便宜的替代能源。事實上，與煤炭相比，改用天然氣減少了排放，降低了發電成本，提高了效率。
· 對項目完工和成本控制失去信心。大型核電項目遭遇的困難，導致三大核供應商，即美國西屋電氣、法國阿?，m和加拿大原子能公司（AECL）破產或重組。目前，投資市場的“金融風險保費”，對短期有保證的回報和“未知風險小”有利。沒有補貼或財政支持的擔保，包括強制的電力購買協議和定價，現行或規劃的核電項目，無法提供這種回報和這么低的風險。
這種事態超出核工業利益相關者的承受能力。但在未來幾十年，在全球范圍內建造許多1百萬千瓦（GWe）規模反應堆的計劃，或許是滿足規劃經濟和能源需求、同時幫助穩定全球二氧化碳排放的最佳途徑。
為重振核行業，以便使它能應對這個挑戰，最重要的是評估核電工業的現狀，調查在開放和競爭的市場，所有新能源技術必須滿足的必要條件,確定當前和未來的核能技術是否有能力實現這些目標。
自2011年3月福島核事故以來，盡管在此期間，現有機組的運行時間更長，更加努力，凈發電量也有所增加，核能在全球電力生產中所占份額已從14%降至目前的10%左右。
中國臺山核電站擁有兩座1660萬千瓦級的核反應堆
老舊核電機組正在退役，而新核反應堆建設步伐緩慢(中國除外)，以至于從2011年到2019年，全球運行的反應堆凈增數量只有5個。在許多市場，由于擔憂碳污染，燃煤發電量在下降，依靠廉價天然氣做燃料的燃氣輪機，或者通常得到政府稅收抵免資助的風力渦輪、可再生能源投資組合、提高強制性關稅補貼來滿足。這兩種能源都沒有核能的碳排放量小、容量因子高、運行壽命長的優勢。
目前，世界31個國家運行的核電反應堆，裝機總量約為400GW，而自2011年3月以來，運行反應堆裝機容量凈增23GW。這種粗略的穩定，掩蓋著相當大的波動。因為中國在這段時間增加了34個反應堆，而德國、日本、英國和美國累計減少了37個。
遠景規劃
展望未來，目前運行核電反應堆的18個國家，仍計劃增加新的反應堆；還有5個國家(孟加拉國、白俄羅斯、埃及、土耳其和阿拉伯聯合酋長國)計劃建設它們的第一批反應堆。
中國、俄羅斯和韓國政府支持的制造商，有融資或政治擔保，控制著新建活動。這三個國家的供應商正在全世界建造60個新的核反應堆。
在更開放的市場，有些技術鼓勵和保證投資者的回報。所有這些意味著，客戶以這樣或那樣的方式為電廠埋單。這種以市場為導向的方法，包括各種各樣的定價機制和“受監管的資產基礎模式”（國有或地方所有電力公司），監管機構評估新核電項目的價值，并為投資者提供固定的收益率，消費者預先支付電費。
這種融資機制的理由很簡單，但最近完成的項目和可能的核能設計，比其他替代能源(如燃燒天然氣)更昂貴。
此外，因新增容量在少數幾個地區，增幅非常大，而供應商分散在世界各地，很難建立、維持制造與供應鏈能力。這就限制了批量生產同樣設計多臺機組的能力。由于對這種本質上“翻版”的設計，沒有像航空工業那樣，采用商定的國際頒證程序或“資格認證”，大規模生產進一步受阻。
除中國之外，全球在研發和示范全新技術方面的投資也很匱乏。在中國，簡直在“每種類型逐個”地建造和試驗。
未來十年，全世界的核電建設計劃加在一起，有希望的數字是：預定要建成大約90個反應堆，凈電力輸出超過90GWe。核工業是否能滿足這個建設計劃，甚至保持運行反應堆凈數量穩定，還有待觀察。
但世界需要的更多。
新興核技術
突破目前的停滯狀態，開發新一代核能技術是個可行的方法。
可以肯定的是，許多公司和組織正在研究各種概念，在不同規模上、使用不同的燃料或另類冷卻介質，或在其他某些基本途徑方面，與目前主導核工業的輕水反應堆技術有所不同。
評估這些概念的前景并不總那么明朗。任何此類新的或下一代核概念或設計，相對現有的能源替代品，成功部署的關鍵，尤其取決于在地方或國家電力市場的競爭能力。
然而，競爭不僅僅是供電的經濟效益，而是整體性的。
如何評估這些建議? 沒有迅速成功的科學，但需要客觀和理性的思考。
核能的任何新概念、設計或技術要求以及內在的挑戰，可概括如下“八項要求”：
· 比前幾代核技術更安全;
· 要求展示的財務風險和基建成本更低;
· 容易快速建成;
· 容易獲得國家監管當局的許可;
· 控制可靠而且簡單;
· 有可靠和可持續的核燃料供應;
· 能提供社會價值和接受度;
· 有最低發電成本競爭力。
這些要求的關鍵共同點是，對技術要求（規范）保持沉默(如果不是完全沉默的話)。只要反應堆概念能滿足這八個挑戰，意味著比現有的核電廠“更好”，也比燃氣輪機和燃煤熱電廠“更好”，什么燃料或如何冷卻，都不重要。
市場決定需求和各種技術規范，實現突破的準確設計或手段是次要的。
實際上，核島只是整個電廠或項目成本的一小部分，因此技術選擇顯然不是關鍵[2]。真正的問題是充分優化任何新技術設計和性能的總成本和效率，滿足電力和金融市場的各種要求，而不是選擇或開發表面上有吸引力但成本昂貴的某些東西。
挑戰和解決方案
就目前核能的發展而言，核電廠有以下缺陷：產生放射性廢料；熱效率相對較低，尤其是那些配置水冷堆的核電站；在嚴重事故期間有放射性釋放的風險；依賴的核燃料生產工藝不夠環保。這些缺陷都是不可接受的。
擴大核動力發電所占份額，或者簡單地預先阻止核能“市場份額”下降，需預先解決這些缺陷，并滿足上述的“八項要求”。
確保滿足要求的途徑是，在進行初步設計活動之前，確立銷售潛質、目標市場和性能績效目標?？梢苑磸瓦M行，首先評估最佳基建成本、運營和發電成本，作為電廠輸出規模的“函數”，以確定系統設計目標和技術要求。之后，需要確立投資需求和合適的電力購買協議或合同。最后，可以確定與電力市場和客戶電力需求相匹配的工程建設輪廓和產量，根據需要重復前述步驟，如必要，更改甚至采用不同的技術。
這種系統性方法為供應商和客戶提供一致性的業務模型，作為快速審計和評估工具，也非常有用，而且“排除”了不具競爭力的選項。
頒發許可證、選址、核燃料和退役成本很難大幅度降低，所以要滿足市場需求，降低基建和運營成本是顯而易見的首要目標。對大型核電機組,如最近在中國、歐洲和美國建造經驗不利的爭論表明,大型機組通常需要60多個月才能建成，或施工經歷重大延誤，而長時間超期和延遲是主要因素，因為能源平準化成本增長與項目時程增加幾乎呈線性關系，必須加以避免。
相反，經常提到的目標是簡化和“模塊化”設計，降低基建和運營成本，縮短建造時間，但也許建造多個小型機組取代一個大型機組，反而會傳播風險并增加成本。
根本問題在于，減少電廠輸出使能源的平準化成本上升，因為許多電廠的其他部分（BOP）、其他可變和固定成本(如場址、安全、基礎設施、工程、退役,和人員配置)并不按比例減少，以至于隨著輸出的減少最終成為主導者。除非承諾大量建造這種簡化的、生產線或“福特”式的反應堆，工程、設計、頒發許可和機構置設成本，都必須由最初的幾臺機組承擔，否則，“同類”首臺機組加大的成本，遠遠高于經濟平衡點。
有鑒于此，核工業可借鑒飛機制造行業的經驗，采用“訂單”方法：啟動建造計劃之前，公司接受客戶的一定數量同類產品的承諾。“填寫訂單”是設計和市場特性，只有大規模生產才有可能降低成本，彌補建造小型機組和電廠的不利影響。
在理論和現實生活中，生產數據表明，生產10個或更多的部件，應降低成本50%，現已知AP1000的真實成本，在美國不遵循這些預測，當前EPR的建設，在法國和芬蘭也都是如此，首先歸因于施工和項目進度長期延誤，使成本上升。
另一個相關的概念是模塊化的結構，廣泛應用于石油鉆井平臺、軍事裝備、建筑物、數據中心、計算機和聯合循環燃氣輪機裝置。模塊不是單個的大機組，而是規模更小，可以根據需要添加，以滿足當地市場的電力需求。
即使各種較大模塊組成的系統，也可稱之為“亞模塊化”，出于安全、維護和性能績效原因，在需要“冗余”的情況下特別重要。小型模塊化反應堆（SMR）概念，基于在工廠建造各種各樣反應堆的每個機組，再運輸到現場，而不是在現場建造。
模塊“工廠”的投資非常昂貴，需要大量的前期承諾(例如，“訂單”中的選擇100個標準化機組)，而且必須謹慎地管理負面風險，成本也務必在銷售的許多機組中扣除或攤銷。不言而喻的是，雖然小機組的電力和能源成本高，大規模生產承擔的金融風險相當小，遭受損失的時間也很短。
不可否認，在世界核工程范圍內，SMR是個非?！盁帷钡脑掝}。規模較小、甚至是“六個一包”的機組就能降低投資風險，同時逐步增加產能，滲透規模更小的電網和市場。據IAEA稱，全世界提議的SMR設計或概念大約是55個。在2019年，俄羅斯推出和頒證的“羅蒙諾索夫院士”號駁船(Akademik Lomonosov)，攜帶俄羅斯最好的兩個SMR-KLT-40S型反應堆，設想是供電70 MW的浮動式核電站，給該國北部地區提供電力和熱能。
“羅蒙諾索夫院士”號的KLT-40S型反應堆壓力容器 (中間)，四臺蒸汽發生器(大圓桶)和四臺冷卻劑循環泵 (小圓桶)
雖然SMR概念很吸引人，但事實上，最近由核能機構（NEA）和南澳大利亞核燃料循環皇家委員會進行的比較研究，相對于競爭的核技術，未能證明目前的SMR概念具有明顯的市場或價格優勢。
核工業總體上面臨的挑戰，諸如現代天然氣和超臨界壓力燃煤電廠的基建成本低、效率高，可能會在短期內拖累SMR的發展和部署。
未來的核電站
對最近公布或推導的實際成本進行簡單的比較就會發現，目前建造或計劃建造的多機組核電站(無論規模大小)，必須將每kW的比投資（或稱每MW的基建成本）和發電成本降低20%-40%，以便與目前市場成熟的聯合循環燃氣輪機(CCGT)競爭。這不是容易實現的目標，需要對現今的發展進行某些徹底的反思，而且要拋棄某些概念。
下一代核電站應以新型設計為基礎，而不僅僅是再次重復使用那些老概念，以滿足“八項要求”。而這些新設計，必須比“足夠安全”或“比火電更安全”好得多；以“輕易安全”（walk-away）[3]為特色，避免重大事故、堆芯熔毀、可能的放射性釋放，以及潛在的核擴散。這種設計必須能像天然氣一樣便宜地發電，而且效率在CCGT范圍內，高于55%。任何新設計都必須得到廣大公眾和監管機構的認可，能夠迅速獲得許可證。
不言而喻的是，下一代核反應堆必須是真的、全球減排的，無需“碳信用額”或“補償”地參與競爭。
要想讓新的核能為對抗全球變暖做出有意義的貢獻，需要有個大規模的建設規劃：從現在到2050年，每周需要有一個以上的新機組并網發電。核能產業距離迎接這一挑戰還很遙遠，政策制定者根本不會接受這個挑戰，盡管政治上的認識在緩慢提升——對于全球能源和環境的未來，核能是“必須品”。
核工業要實現這一目標，就須采取務實的方法。必須避免追逐時尚和幻想，僅僅“懶惰地”斷言“這個世界沒有其他選擇”是不夠的。這既需要行動的意志，也需要大量的金錢，足以將意志轉化為行動。歡迎諸如蓋茨基金會等組織提供非營利性的資助，但這還不夠；更需要私營部門和政府雙方的投資。
創新是關鍵，重新評估過去假設的意圖也是關鍵。很明顯，為了應對面臨的各種挑戰，核工業需要新的反應堆設計方向。但也需要制造的反應堆，在規模和成本上能與不同市場的許多需求相匹配。小型模塊化反應堆(無論最終意味著什么)是靈活應對市場需求的一種方法，但不是唯一的方法，而且可能不適合某些市場。不管規模大小，傾向于“放之四海而皆準”的解決方案，最糟糕。
要重振核電行業，不僅需要技術上的改變，還需要觀念上的改變。說核電行業將不得不從零開始——幾十年后，還有很多東西要建設——這種說法太過“強硬”。但公平地說，到2050年，一個成功的核電行業應從今天的水平發生根本性的轉變。
羅姆尼·達菲和伊戈爾·皮奧羅，是資深的核能與核科學專家，又長期擔任AMSE核工程與輻射科學雜志的編輯，依據的是多人經廣泛調查研究編寫的論文[4]，又與MIT EI-2018專題報告[5]有多方面的共識，他們的技術觀點，值得核工業技術與決策人士的審視與深思。
資料與注釋：
1.Romney Duffey & Igor Pioro，WhatHappened to the Nuclear Renaissance?，ASME，Nov 11, 2019
2.核島只是整個核電站或項目成本的一小部分，因此技術選擇顯然不是關鍵：對于注重核技術的人，這個結論很“新穎”。支持的論點見資料[4]中4. Economic and Competitiveness Issues for Nuclear Power Plants及相關參考資料。MIT（2018）報告支持的論點見資料[5]“執行總結”的以下觀點：降低成本的努力不應集中在核供應國集團的設計或特定的反應堆技術上，而應集中在(a)改進整個核電站的建設(或交付到現場)，以及(b)在此期間加快建設過程以降低利息成本的方法上；核電站設計而不是反應堆方面的技術進步，對降低資本成本有著最大的希望。
3.walk-away safety，用于核能，意味著“輕易”（實現，達到）安全。
4.Pioro，R. B. Duffey et al., Current Status andFuture Developments in Nuclear-Power Industry of the World, ASME J of NuclearRad Sci.,March 15, 2019
5.MITEI，TheFuture of Nuclear Energy in a Carbon-Constrained World，SEPTEMBER3, 2018
原標題：“核復興”需要轉變“思維模式”
聲明
