美核能發(fā)展前景及供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)分析

2022 年2 月24 日，美國能源部發(fā)布《核能供應(yīng)鏈深度評(píng)估報(bào)告》，預(yù)測了核能在美國和全球其他國家的發(fā)展前景，評(píng)價(jià)了美國核能供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)和機(jī)遇，并指出了美國核工業(yè)未來的發(fā)展重點(diǎn)。

這份報(bào)告是能源部根據(jù)拜登總統(tǒng)2021 年2月簽署的第14017 號(hào)行政令“美國供應(yīng)鏈”編寫的13 份能源領(lǐng)域供應(yīng)鏈深度評(píng)估報(bào)告中的一份。在這13 份評(píng)估報(bào)告的基礎(chǔ)上，能源部撰寫了《維護(hù)供應(yīng)鏈安全以大力推進(jìn)清潔能源轉(zhuǎn)型的綜合戰(zhàn)略》。這是美國政府有史以來第一份關(guān)于建立安全、有彈性和多樣化國內(nèi)能源工業(yè)基礎(chǔ)的綜合戰(zhàn)略，為提升美國清潔能源供應(yīng)鏈的彈性與可靠性提出了60多項(xiàng)行動(dòng)建議。

1 核能市場前景廣闊

隨著先進(jìn)反應(yīng)堆研發(fā)、示范和部署工作的推進(jìn)，核能未來將在三方面實(shí)現(xiàn)多樣化：一是反應(yīng)堆類型多樣化，目前全球商業(yè)核電機(jī)組主要是大型輕水堆，未來會(huì)有包括先進(jìn)輕水堆、液態(tài)金屬冷卻快堆、高溫氣冷堆、熔鹽堆在內(nèi)的多種反應(yīng)堆實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用；二是反應(yīng)堆規(guī)模多樣化，隨著模塊化小堆和微堆實(shí)現(xiàn)商用，未來用戶可以根據(jù)自己的需求選擇相應(yīng)規(guī)模的反應(yīng)堆，甚至可以在現(xiàn)有燃煤電廠建設(shè)反應(yīng)堆；三是能源產(chǎn)品多樣化，除了發(fā)電，核能還可用于供暖、制氫、液體合成燃料的生產(chǎn)等。

世界各國已就能源結(jié)構(gòu)清潔低碳轉(zhuǎn)型達(dá)成廣泛共識(shí)。核能在美國及其他國家均有廣闊的發(fā)展前景。美國已設(shè)立2035年電力部門無碳排放和2050年整個(gè)經(jīng)濟(jì)體凈零排放目標(biāo)。最近的兩項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有核電機(jī)組延壽和核能創(chuàng)新是美國降低碳減排目標(biāo)實(shí)現(xiàn)成本的關(guān)鍵：核電機(jī)組一次延壽（即將運(yùn)行壽期從40年延長至60年）能夠降低3300 億美元的碳減排支出；如果將現(xiàn)有核電機(jī)組延壽與新建機(jī)組相結(jié)合，能夠進(jìn)一步降低數(shù)千億美元支出。模擬研究表明，核電在美國電力結(jié)構(gòu)中所占份額可能從當(dāng)前的20%增至70%。

美國商務(wù)部2017年的一項(xiàng)研究估計(jì)：“未來十年全球民用核電市場產(chǎn)值將達(dá)5000億至7400億美元，可能為美國創(chuàng)造逾1000 億美元的出口收入和數(shù)千個(gè)就業(yè)崗位。”愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室預(yù)計(jì)，2040 年全球微堆市場規(guī)模可能達(dá)到每年數(shù)百座，2050 年增至每年數(shù)千座。在國際市場開拓方面，美國面臨著來自中國和俄羅斯等國的競爭。在當(dāng)前國際環(huán)境下，各國關(guān)于核電建設(shè)的決策總是超出經(jīng)濟(jì)范疇，涉及地緣政治關(guān)系、國家能源戰(zhàn)略、環(huán)境目標(biāo)（尤其是碳減排）、核不擴(kuò)散、技術(shù)準(zhǔn)備、監(jiān)管基礎(chǔ)架構(gòu)和當(dāng)?shù)毓娊邮芏鹊?。美國企業(yè)在其中的部分領(lǐng)域擁有優(yōu)勢（詳見表1）。報(bào)告建議美國加快推進(jìn)先進(jìn)反應(yīng)堆商業(yè)化部署，在核工業(yè)領(lǐng)域重新確立國際領(lǐng)導(dǎo)地位，進(jìn)而確保核能在世界各地以高安全水平和不擴(kuò)散標(biāo)準(zhǔn)部署。

2 美國核能供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)

報(bào)告從現(xiàn)有核電機(jī)組和先進(jìn)反應(yīng)堆兩方面評(píng)估了美國供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)（詳見表2）。

2.1 現(xiàn)有核電機(jī)組供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)

美國現(xiàn)有93臺(tái)核電機(jī)組，均為大型輕水堆，其中8 臺(tái)機(jī)組許可壽期為40 年，79 臺(tái)機(jī)組已獲準(zhǔn)延壽至60 年，6 臺(tái)機(jī)組已獲準(zhǔn)延壽至80 年。此外，19 臺(tái)機(jī)組準(zhǔn)備延壽至80 年。對(duì)于現(xiàn)有機(jī)組，美國已擁有成熟供應(yīng)鏈，但在三個(gè)方面存在供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。

表1 美國核工業(yè)的優(yōu)勢和劣勢以及未來發(fā)展機(jī)會(huì)和面臨的威脅

表2 美國現(xiàn)有電機(jī)組和先進(jìn)反應(yīng)堆供應(yīng)鏈主要風(fēng)險(xiǎn)

一是天然鈾生產(chǎn)和鈾轉(zhuǎn)化服務(wù)供應(yīng)。由于國際市場鈾價(jià)持續(xù)保持在低位，美國鈾礦近年來紛紛停產(chǎn)減產(chǎn)，產(chǎn)量持續(xù)降低，2020年鈾產(chǎn)量只占全球總產(chǎn)量的0.2%。一旦全球天然鈾供應(yīng)中斷，本國產(chǎn)能可能無法快速提升，導(dǎo)致供應(yīng)中斷。但是，應(yīng)當(dāng)指出的是，澳大利亞和加拿大等美國盟友擁有大量鈾資源且產(chǎn)量很高。如果發(fā)生斷供，他們能夠填補(bǔ)供應(yīng)缺口。美國唯一的鈾轉(zhuǎn)化廠即梅特羅波利斯廠2017 年暫時(shí)停運(yùn)，此后的美國鈾轉(zhuǎn)化服務(wù)完全依賴外國供應(yīng)商。目前預(yù)計(jì)梅特羅波利斯廠將于2023年恢復(fù)運(yùn)行。

二是濃縮鋰供應(yīng)。在現(xiàn)有核電廠中，壓水堆機(jī)組需要在整個(gè)運(yùn)行期間不斷添加鋰，以控制一回路酸堿值。鋰的總需求量估計(jì)為每年300 千克。澳大利亞、智利和中國是世界三大鋰生產(chǎn)國，但當(dāng)前僅中國和俄羅斯擁有鋰濃縮能力。隨著其他國家更多壓水堆建成投運(yùn)，鋰需求量會(huì)逐步增加。為消除這一供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，美國電力研究協(xié)會(huì)正在研究使用氫氧化鉀代替鋰。

三是鉻和鎳供應(yīng)。鎳和鉻是核電機(jī)組管道系統(tǒng)以及金屬設(shè)備和部件的重要制造原料。目前美國50%的鎳需求和75%的鉻需求通過進(jìn)口滿足：鎳主要來自印度尼西亞、菲律賓和俄羅斯，鉻主要來自南非和哈薩克斯坦。現(xiàn)有核電廠的長期持續(xù)運(yùn)行需要更換多種金屬設(shè)備和部件。

2.2 先進(jìn)反應(yīng)堆供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)

美國正在積極推進(jìn)先進(jìn)反應(yīng)堆研發(fā)，并預(yù)計(jì)先進(jìn)反應(yīng)堆將在2035 年后實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)部署。在先進(jìn)反應(yīng)堆商業(yè)化過程中，需要大力開展供應(yīng)鏈建設(shè)，尤其應(yīng)關(guān)注四方面能力建設(shè)。

一是高豐度低濃鈾（即鈾-235 豐度在5%至20%之間的濃縮鈾）供應(yīng)。許多先進(jìn)反應(yīng)堆需要使用高豐度低濃鈾燃料。愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室估計(jì)：包括國防部微堆項(xiàng)目、能源部“先進(jìn)反應(yīng)堆示范計(jì)劃”、醫(yī)用同位素生產(chǎn)等在內(nèi)的確切需求2030 年前約為每年8 至12 噸鈾；潛在商業(yè)需求到2030 年可能超過每年100 噸鈾。美國目前沒有任何商業(yè)產(chǎn)能可用于生產(chǎn)高豐度低濃鈾，唯一供應(yīng)商是俄羅斯技術(shù)裝備出口公司。

二是燃料制造能力。美國現(xiàn)有燃料制造設(shè)施均是為滿足輕水堆需求建設(shè)的，目前沒有商業(yè)規(guī)模的先進(jìn)反應(yīng)堆燃料制造設(shè)施，例如三元結(jié)構(gòu)各向同性（TRISO）燃料和金屬燃料。BWX技術(shù)公司已啟動(dòng)弗吉尼亞州林奇堡TRISO燃料生產(chǎn)線的升級(jí)改造和產(chǎn)能擴(kuò)張，并且該生產(chǎn)線已獲準(zhǔn)使用高豐度低濃鈾制造TRISO燃料。X能源公司和泰拉能源公司正在“先進(jìn)反應(yīng)堆示范計(jì)劃”幫助下推進(jìn)先進(jìn)燃料制造設(shè)施的建設(shè)：前者擬建設(shè)一座TRISO燃料設(shè)施，后者擬建設(shè)一座金屬燃料設(shè)施。

三是核級(jí)石墨供應(yīng)。部分先進(jìn)反應(yīng)堆的堆芯結(jié)構(gòu)件和慢化劑需要使用核級(jí)石墨。但石墨存在供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)槊绹恳蕾囘M(jìn)口，且全球75%的石墨產(chǎn)自中國。此外，美國目前沒有核級(jí)石墨結(jié)構(gòu)件（部件）生產(chǎn)商。

四是鋰以及鋰和氯的濃縮。熔鹽堆需要高純度的鋰或氯基鹽來用作冷卻劑和燃料（除非使用TRISO燃料）。鋰和氯都需要濃縮，并需要合成燃料鹽。目前，美國僅有實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的燃料鹽生產(chǎn)能力，未來需要部署商業(yè)產(chǎn)能。

3 美國未來核能發(fā)展重點(diǎn)

根據(jù)核工業(yè)供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，報(bào)告指明了美國核工業(yè)需要在短期和長期內(nèi)開展的重點(diǎn)工作。

3.1 短期發(fā)展重點(diǎn)

在至本世紀(jì)20 年代中期的短期內(nèi)，美國應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注兩項(xiàng)工作：確保高豐度低濃鈾供應(yīng)安全和完成先進(jìn)反應(yīng)堆首堆建設(shè)。實(shí)際上，能源部近年來一直在這兩個(gè)方面持續(xù)開展工作。

對(duì)于高豐度低濃鈾供應(yīng)，能源部已明確兩種方案。一是為確保近期供應(yīng)，從庫存的高濃鈾乏燃料中提取高濃鈾（鈾-235豐度超過20%），然后稀釋成高豐度低濃鈾。二是為保障長期穩(wěn)定供應(yīng)，能源部正在幫助森圖斯能源公司推進(jìn)離心鈾濃縮技術(shù)的商業(yè)化，并采用費(fèi)用共擔(dān)的方式在俄亥俄州派克頓建設(shè)一座濃縮設(shè)施。預(yù)計(jì)這座設(shè)施將于今年上半年投運(yùn)，啟動(dòng)高豐度低濃鈾的示范性生產(chǎn)。

能源部2020 年啟動(dòng)“先進(jìn)反應(yīng)堆示范計(jì)劃”，目標(biāo)是在未來五至七年內(nèi)幫助兩個(gè)技術(shù)開發(fā)商建成示范堆，并大力支持有望在21 世紀(jì)30年代中期實(shí)現(xiàn)商用的創(chuàng)新型反應(yīng)堆研發(fā)。能源部已決定在該計(jì)劃下資助10 種先進(jìn)反應(yīng)堆，其中兩種準(zhǔn)備在2028 年底前建成首堆，并已選定廠址：X能源公司準(zhǔn)備在華盛頓州哥倫比亞縣建設(shè)首座Xe-100 小堆電廠；泰拉能源公司準(zhǔn)備在懷俄明州凱默勒建設(shè)第一座“Natrium反應(yīng)堆-儲(chǔ)能系統(tǒng)”示范電廠。

3.2 長期發(fā)展重點(diǎn)

美國核工業(yè)的長期發(fā)展規(guī)劃應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注三個(gè)領(lǐng)域：新機(jī)組的建設(shè)和運(yùn)營、現(xiàn)有機(jī)組持續(xù)運(yùn)行以及核能多元化應(yīng)用。美國已在后兩個(gè)領(lǐng)域積極開展工作。

由于天然氣價(jià)格長期保持在低位以及可再生能源在補(bǔ)貼支持下迅速發(fā)展，電價(jià)持續(xù)處于較低水平，美國幾乎所有核電廠都處于收不抵支的狀態(tài)，自2012 年以來已有超過10 臺(tái)機(jī)組永久關(guān)閉。為保障現(xiàn)有機(jī)組的持續(xù)運(yùn)行，已有多個(gè)州宣布向處于虧損狀態(tài)的核電廠提供非市場金融補(bǔ)貼?！?021 年基礎(chǔ)設(shè)施投資和就業(yè)法》授權(quán)能源部在2022 至2026 年實(shí)施總額為60 億美元的民用核信貸計(jì)劃，支持現(xiàn)有機(jī)組持續(xù)運(yùn)行。

能源部2021年宣布為兩個(gè)核電制氫示范項(xiàng)目提供資助：8月宣布為愛克斯龍電力公司提供資助，將在九英里峰核電廠安裝用于制氫的質(zhì)子交換膜電解槽，預(yù)計(jì)電解槽將于2022 年投入運(yùn)行；10 月宣布為PNW 氫能公司提供資助，在帕洛弗迪核電廠開展低溫電解制氫示范項(xiàng)目。

4 結(jié)語

核能是一種清潔、高效、優(yōu)質(zhì)的基荷能源，具有能量密度高、碳排放量低、環(huán)境影響小、持續(xù)運(yùn)行時(shí)間長、用途廣泛等特點(diǎn)，已在滿足電力需求、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、改善環(huán)境等方面為我國做出重要貢獻(xiàn)，是我國踐行“2030 年碳達(dá)峰、2060 年碳中和”承諾的理性且現(xiàn)實(shí)的選擇。我國應(yīng)“積極安全有序發(fā)展核電”，加快裝機(jī)容量建設(shè)，逐步提升核電在電力結(jié)構(gòu)中所占份額，同時(shí)大力開展先進(jìn)核能技術(shù)研發(fā)，推進(jìn)核能多元化應(yīng)用及其與能源密集型產(chǎn)業(yè)的耦合發(fā)展，充分發(fā)揮核能零碳排放的優(yōu)勢，在更多領(lǐng)域取代化石能源，助力雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

通過幾十年的努力，我國已構(gòu)筑完整的核工業(yè)體系，形成完整的核工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，正在從核能大國向核能強(qiáng)國邁進(jìn)。然而，當(dāng)今世界正面臨百年未有之大變局，且新冠疫情全球大流行和近期俄烏沖突均在加速推進(jìn)這一變局。面對(duì)當(dāng)前情況，我國應(yīng)增強(qiáng)憂患意識(shí)，居安思危，持續(xù)開展產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的能力評(píng)價(jià)，堅(jiān)持科技創(chuàng)新，不斷加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈中薄弱環(huán)節(jié)建設(shè)，為實(shí)現(xiàn)向核能強(qiáng)國的跨越奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

我國核電“走出去”已上升為國家戰(zhàn)略，是踐行“一帶一路”倡議的重要體現(xiàn)。但國際核電市場開拓面臨的政治風(fēng)險(xiǎn)很大，易受地緣政治關(guān)系的影響。除了反應(yīng)堆造價(jià)，業(yè)主國政府在選擇供應(yīng)商時(shí)還需要考慮政治、外交、融資等諸多因素。美國已從2020年開始改變過去以企業(yè)為主的方式，轉(zhuǎn)而使用國家力量幫助本國企業(yè)進(jìn)軍國際市場，已在波蘭、烏克蘭和羅馬尼亞等國取得重要階段性成果。未來我國應(yīng)加強(qiáng)頂層協(xié)調(diào)，推進(jìn)跨部級(jí)協(xié)調(diào)，各方形成合力，大力開拓國際市場。