第四代核電技術(shù)走向成熟核能的下一步是什么？

盡管核反應(yīng)堆在世界各地發(fā)電已有70多年的歷史，但當(dāng)前可能正是這一技術(shù)迎來根本性變革的關(guān)鍵時刻。

隨著全球電力需求在電動汽車和數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域不斷攀升，建設(shè)新核能設(shè)施的需求正在不斷強(qiáng)勁。不僅如此，延長現(xiàn)有核電站的使用壽命，甚至重新啟用已關(guān)閉的核電站，也成了熱門話題，同時，對反應(yīng)堆設(shè)計的重新審視正在加速推進(jìn)。2025年被視為先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)的重要測試節(jié)點，因為這些技術(shù)將從理論設(shè)計邁入實際建設(shè)階段。

這一切意義重大，因為在氣候變化引發(fā)全球氣溫不斷攀升、能源需求快速增長的背景下，核能有望成為穩(wěn)定電力供應(yīng)的關(guān)鍵支柱。以下是核能行業(yè)即將面臨的關(guān)鍵變革。

全球拼圖

在過去兩年里，全球?qū)四艿某兄Z顯著增加。例如，在聯(lián)合國氣候大會上，31個國家承諾在2050年之前將全球核能容量提高3倍。然而，不同地區(qū)的核能發(fā)展前景截然不同，呈現(xiàn)出鮮明的對比。

美國目前是世界上運營核反應(yīng)堆數(shù)量最多的國家。如果要實現(xiàn)核能容量3倍增長的目標(biāo)，這意味著在當(dāng)前約100吉瓦（1吉瓦等于100萬千瓦）的基礎(chǔ)上新增約200吉瓦的容量，顯然這一目標(biāo)雄心勃勃且挑戰(zhàn)巨大。此外，這還需額外增加容量以替代逐步退役的老化反應(yīng)堆。然而，美國的核能發(fā)展似乎面臨停滯不前的局面。佐治亞州Vogtle核電站的新反應(yīng)堆雖然在去年投產(chǎn)，但經(jīng)歷了長期延誤和大幅成本超支。目前，美國沒有任何大型常規(guī)反應(yīng)堆處于建設(shè)或監(jiān)管審批階段。

今年，美國的核能發(fā)展面臨諸多不確定性，尤其是在特朗普政府即將上任的背景下。盡管核能技術(shù)通常在政治領(lǐng)域享有較廣泛的支持，但一些政策可能間接影響行業(yè)發(fā)展。核能政策研究組織環(huán)保能源集團(tuán)的聯(lián)合創(chuàng)始人杰西卡·洛夫林指出，像關(guān)稅這樣的政策可能通過增加鋼鐵等建筑材料的成本，對核能建設(shè)產(chǎn)生負(fù)面影響。

與此形成鮮明對比的是，全球大部分在建或規(guī)劃中的核反應(yīng)堆集中在亞洲，特別是中國的增長尤為引人注目。中國自1991年首座核電站并網(wǎng)發(fā)電以來，僅用了幾十年就建立了全球第三大核電機(jī)組群，僅次于法國和美國。今年，中國計劃投產(chǎn)4座大型反應(yīng)堆，并預(yù)計到2026年還將有幾座新的反應(yīng)堆投入運營，展現(xiàn)出快速擴(kuò)張的勢頭。

此外，今年孟加拉國和土耳其將迎來各自首座核反應(yīng)堆的啟動。同時，埃及的首座核電站也正在建設(shè)中，不過預(yù)計還需要數(shù)年時間才能正式投產(chǎn)。

持續(xù)推進(jìn)

目前并網(wǎng)運行的商用核反應(yīng)堆以及多數(shù)在建反應(yīng)堆基本采用相似的傳統(tǒng)設(shè)計，即使用低濃縮鈾作為燃料，并以水作為冷卻劑，用于調(diào)節(jié)反應(yīng)堆內(nèi)部的溫度。

然而，先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)正逐步接近商用階段，“第四代反應(yīng)堆”正在全球范圍內(nèi)積極開發(fā)，逐步打破傳統(tǒng)設(shè)計的局限性，以實現(xiàn)更高的安全性和效率。一些設(shè)計使用熔鹽或鉛等金屬作為冷卻劑，另一些則采用更高濃度的鈾作為燃料。此外，這些新型反應(yīng)堆通常融合了不同的燃料類型和冷卻方法。

未來幾年將成為先進(jìn)核能技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵階段，各種創(chuàng)新方案和設(shè)計將逐步從理論走向?qū)嶋H建設(shè)。正如核創(chuàng)新聯(lián)盟研究主任帕特里克·懷特所說：“我們正在見證紙面上反應(yīng)堆逐漸變成現(xiàn)實中的反應(yīng)堆?！?/p>

在這場技術(shù)變革中，美國成為先進(jìn)反應(yīng)堆研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的中心，大量資金和工業(yè)活動集中于此。目前，多家公司正接近展示其技術(shù)能力，努力將下一代核能技術(shù)推向商用化，為全球核能領(lǐng)域樹立新標(biāo)桿。

Kairos Power正在開發(fā)以熔鹽作為冷卻劑的先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)。該公司在2023年底獲得了美國核管理委員會批準(zhǔn)其首個示范反應(yīng)堆的建造許可證，并計劃在2024年底獲得另一座設(shè)施的許可。這兩座設(shè)施的建設(shè)將在未來幾年逐步推進(jìn)，其中首座示范反應(yīng)堆計劃于2027年完成，標(biāo)志著其技術(shù)進(jìn)入關(guān)鍵測試階段。

Terra Power是另一家引領(lǐng)先進(jìn)核能開發(fā)的美國企業(yè)，其設(shè)計的Natrium反應(yīng)堆使用液態(tài)鈉作為冷卻劑。這家公司采取了一種獨特的建設(shè)策略：將核設(shè)施和非核設(shè)施分開建設(shè)。得益于這種策略，非核部分的建設(shè)將于2024年6月率先啟動，而核設(shè)施部分的建設(shè)仍需等待美國核管理委員會的批準(zhǔn)，預(yù)計最早將在2026年開始。這種分步推進(jìn)的方式旨在加速整體項目進(jìn)展，同時確保安全與合規(guī)。

美國國防部的一個項目可能成為第一個發(fā)電的在建第四代反應(yīng)堆，盡管其規(guī)模非常小。Project Pele是由BWXT AdvancedTechnologies制造的一種可運輸?shù)奈⑿头磻?yīng)堆，該項目計劃于今年初開始組裝，并預(yù)計在2026年運送至位于愛達(dá)荷的實驗室。

當(dāng)然，先進(jìn)反應(yīng)堆并不僅限于美國。在快速建設(shè)傳統(tǒng)反應(yīng)堆的同時，中國也開始在一系列先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。高溫氣冷堆是其中的重點領(lǐng)域之一。根據(jù)伊利諾伊大學(xué)香檳分校助理教授維加尼的說法，這種反應(yīng)堆使用氦氣作為冷卻劑，運行溫度超過1500攝氏度，遠(yuǎn)高于其他設(shè)計。

中國首座商業(yè)化示范高溫氣冷堆于2023年底投入運行，目前多座采用該技術(shù)的更大反應(yīng)堆正在規(guī)劃或建設(shè)中。

提升現(xiàn)有產(chǎn)能

即使是最接近商用的先進(jìn)反應(yīng)堆項目，也需要數(shù)年甚至數(shù)十年才能為電網(wǎng)大規(guī)模供電。因此，在全球電力需求持續(xù)增長的背景下，人們正重新關(guān)注如何最大限度地提高現(xiàn)有核電站的產(chǎn)能。

一個顯著的趨勢是對相對老舊的核電機(jī)組進(jìn)行許可證延期。許多20世紀(jì)建設(shè)的核電站最初被許可運行40年，但事實證明，在維護(hù)得當(dāng)和關(guān)鍵設(shè)備更換的條件下，它們的運行壽命可以顯著延長。

在美國，監(jiān)管機(jī)構(gòu)已為大部分核電機(jī)組批準(zhǔn)了20年的運行延長期限，將其預(yù)期壽命從40年延長至60年。此外，一些反應(yīng)堆甚至獲得了進(jìn)一步延長許可，計劃運行至80年。類似的趨勢也出現(xiàn)在其他國家，例如法國和西班牙，這些國家最近批準(zhǔn)了對運行超過40年的反應(yīng)堆進(jìn)行許可證延期。

重新啟動已關(guān)閉核電站的興趣正在增加，特別是針對那些因經(jīng)濟(jì)原因而最近關(guān)閉的設(shè)施。其中一個典型案例是密歇根州的Palisades核電站。為支持該電站的復(fù)工項目，美國能源部批準(zhǔn)了一筆15.2億美元的貸款，用于覆蓋相關(guān)成本。電站的所有者兼運營商Holtec計劃在2025年讓該設(shè)施重新并網(wǎng)運行。

然而，復(fù)工面臨一些技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。根據(jù)美國核管理委員會的報告，電站的部分設(shè)備可能存在損壞問題，特別是蒸汽發(fā)生器。如果修復(fù)工作需要大規(guī)模投入，這可能顯著影響項目的經(jīng)濟(jì)性。核創(chuàng)新聯(lián)盟的帕特里克·懷特對此指出這種額外成本可能成為復(fù)工計劃的主要障礙。

另一個復(fù)工目標(biāo)是前三哩島核電站的一個反應(yīng)堆。該站的所有者計劃在2028年重新使其運行。然而，圍繞電站并網(wǎng)的爭議可能會在未來一年內(nèi)展開討論。此外，據(jù)報道，艾奧瓦州的Duane Arnold能源中心的業(yè)主也正在評估重新啟動這座于2020年關(guān)閉的核電站的可行性。

科技巨頭的能源需求

推動核能需求增長的一個重要因素是人工智能的快速發(fā)展。人工智能技術(shù)高度依賴數(shù)據(jù)中心，而這些數(shù)據(jù)中心的能源需求正在以驚人的速度飆升。為應(yīng)對電力短缺，科技巨頭們開始前所未有地關(guān)注核能作為潛在解決方案。

微軟在推動核電復(fù)工方面已成為重要角色之一。在前三哩島核電站的復(fù)工計劃中，微軟簽署了一項協(xié)議，承諾如果該電站重新啟用，將購買其電力。這標(biāo)志著科技公司與核能行業(yè)合作的一個里程碑。

谷歌也在核能領(lǐng)域邁出了重要一步，2024年10月，谷歌與Kairos Power簽署協(xié)議，根據(jù)計劃，這家初創(chuàng)公司將在2035年前建成總計500兆瓦的核電站，而谷歌將購買這些電站生產(chǎn)的電力，保障其數(shù)據(jù)中心的能源供應(yīng)。亞馬遜則采取了更進(jìn)一步的舉措，不僅與核能公司簽署了電力采購協(xié)議，還直接投資了X-energy，一家專注于小型模塊化反應(yīng)堆開發(fā)的公司。這筆投資將用于支持華盛頓州的一個核能項目的開發(fā)、許可和建設(shè)。

來自科技巨頭的資金支持無疑可以在維持現(xiàn)有核反應(yīng)堆的運行以及推動先進(jìn)核能項目落地方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。然而，環(huán)保能源集團(tuán)的杰西卡·洛夫林指出，目前許多此類承諾仍缺乏具體細(xì)節(jié)。她強(qiáng)調(diào)，需要關(guān)注的關(guān)鍵里程碑包括重大資金的實際到位、正式合同的簽署以及向監(jiān)管機(jī)構(gòu)提交相關(guān)申請等具體進(jìn)展。

“2024年是核能領(lǐng)域一個非凡的年份，可能是數(shù)十年來最令人興奮的一年?！绷炕脊镜暮斯こ處熂媸紫瘓?zhí)行官斯塔凡·奎斯特表示。這家國際咨詢公司專注于能源和工業(yè)的脫碳。在他看來，要在必要的規(guī)模上部署核能面臨著巨大的挑戰(zhàn)，但當(dāng)前的興趣和需求正快速上升。正如他所說的，“外面的世界對能源有著巨大的渴求?！?/p>