研究报告建议美为先进反应堆部署奠定基础

美国国家科学院、国家工程院和国家医学院（简称“美国三院”）2023年4月27日联合发布《为美国新型先进反应堆奠定基础》报告。报告指出，先进反应堆可以在帮助美国实现长期气候目标方面发挥重要作用，但先进反应堆商业化应用在技术、经济、监管和社会接受度等领域面临一系列挑战，要到21世纪30年代才能实现商业部署（详见图1）。报告建议美能源部、核管会、其他联邦和州机构以及私营企业积极采取行动，为推动先进反应堆成为美国能源结构重要组成部分奠定必要基础。

图1 先进反应堆技术预期发展时间表

这份报告由美国三院2021年1月组建的特设专家委员会撰写。该委员会的职责是研究先进反应堆未来30年在美国实现商业化应用的机会及其面临的障碍。这项研究由美国国家工程院和能源部资助。

1 先进反应堆技术

目前美国商业核电反应堆均为轻水堆。先进反应堆在装机容量、中子能谱、冷却剂、燃料类型和运行温度等方面与当前轻水堆有显著差异，技术成熟度处于不同水平。模块化小型轻水堆、模块化小型钠冷快堆和模块化高温气冷堆技术成熟度较高，面临的挑战主要涉及独特系统的监管认证、燃料和供应链问题，以及运行性能示范。气冷快堆、氟化盐冷却堆、熔盐堆、大型钠冷快堆技术成熟度较低，在关键反应堆特性的可行性和性能方面仍需要开展大量研究。先进材料和制造技术能够显著提高先进反应堆的性能和经济性。虽然部分技术开发商计划使用现有材料和制造技术进行首堆示范，但材料和制造技术的进步将有助于推进先进反应堆的系统优化以及安全性、可靠性和经济性的进一步提升。

报告建议能源部为改善燃料和材料性能设定积极目标，并启动相关研究计划。可以采取在能源部核能办公室和科学办公室、核管会、电力研究协会、核工业企业、国家实验室和高等院校间建立战略合作伙伴关系的方式实施。

2 未来电力系统

电力系统的未来发展将受许多因素影响，包括电力需求增加、分布式电力技术更多部署、电气化水平提升以及需求侧灵活性技术广泛应用。虽然预计可再生能源在电力结构中的占比会大幅增长，但许多模拟研究发现，为降低供电成本并保障电力供应安全，清洁基荷能源必将在未来电力结构中占有一定份额。作为一种清洁基荷能源，先进反应堆在面临新市场机遇的同时，也会面临其他清洁基荷技电力技术的竞争。

表1 先进反应堆类别

表2 先进反应堆技术成熟度

核电市场竞争力将高度依赖于其造价。研究表明，无论其他条件如何，如果隔夜造价降至2000美元/千瓦，先进反应堆将具有很强的市场竞争力。如果其他电力技术的成本高于预期，隔夜造价为4000～6000美元/千瓦的先进反应堆也将具有市场竞争力。即使隔夜造价超过6000美元/千瓦，先进反应堆也可能其他原因得到部署，例如为确保电力供应安全，满足偏远社区电力需求。未来需要进行市场（包括电力批发市场）改革，以更好地体现先进反应堆在提高电力系统运行可靠性和韧性方面的价值。

3 控制成本

先进反应堆项目的前期融资费用高于其他能源技术，原因是融资金额大、项目持续时间长以及可供选择的融资方有限。能源部正在采取多种措施帮助技术开发商降低前期投资，包括通过“先进反应堆示范计划”资助开发商推进首堆示范，通过“加速核能创新接口”“国家反应堆创新中心”和“核科学用户设施”等计划提供技术研发支持。虽然获得“先进反应堆示范计划”资助的先进反应堆最终造价仍具有不确定性，但政府资助金额和开发商的计划投资额意味着首堆造价可能为4000～6000美元/千瓦这一水平的2～2.5倍。对于后续反应堆，造价可以通过学习效应快速降低，直至达到实现广泛部署所需水平。

在这一领域，报告提出了两条建议。一是能源部和核工业界应制定和实施结构化的持续支持计划，在技术（测试、可靠性）、融资（成本、进度）、监管和社会可接受性等方面为先进反应堆技术商业化进程设立里程碑式节点（只有满足相关节点要求，相关技术的商业化才能继续获得支持），目标是确保为性能最佳的先进反应堆技术提供充足支持，加速推进其商业化进程。二是联邦和州政府应提供量身定制的财政激励措施，例如延长2022年《降低通货膨胀法》激励措施的有效期，为推进核能发展创造适当的市场环境。

4 非电力应用

除了发电，核能还可以满足制氢、海水淡化、区域供暖、化工厂等设施的能源需求，能够助力工业、交通等行业实现碳减排。鉴于氢具有助力几乎所有经济部门碳减排的潜力，制氢可能成为未来先进反应堆的可靠收入来源。未来业主不仅可以建设专门用于满足非电力需求的反应堆，还可以建设由反应堆和可再生能源组成的混合能源系统：当外部电力需求大时，将反应堆用于发电；当外部电力需求不足时，将反应堆用于生产其他产品，例如氢。

报告指出，为工业过程提供热能是先进反应堆的重要新应用。实现这一应用，需要在系统集成、运行、安全、社区接受度、市场规模（取决于明示或隐含的碳价水平）和监管等领域开展大量研究。报告建议能源部在电力研究协会等行业组织和核供应商的支持下，对系统集成、运行和安全风险进行系统性分析，为投资者提供切实可行的部署模式。

5 项目管理与施工

近几十年，美国和欧洲核电项目均没有按照预算或既定日程完成建设。相当部分（有时是大部分）成本增长源于土建工程，例如混凝土结构和电厂配套设施。这种增长由多种因素造成，包括没有足够的工程技术员来开展项目的规划和管理工作。报告指出，虽然从技术角度证明先进反应堆具有可行性至关重要，但更重要的是确保整座电厂（包括现场土建工程）能够按照预算和既定日程完成建设。鉴于现场施工成本很可能仍然是造价的重要组成部分，能源部应加大对现场施工技术研发的支持力度，广泛推广先进施工技术，实现降本增效。

部分先进反应堆供应商准备采用新型建设方式，即在工厂制造反应堆，然后运至厂区安装，目的是降低施工风险、缩短建设周期和提高质量。但是，对于涉及大量现场施工作业的项目，以具有成本效益的方式及时完成整个土建工程施工仍然是一项挑战。报告建议，多家核电业主/运营商应组建专门负责核电建设的联合体或合资企业，以便能招募和保持必要的熟练工程技术人员队伍。或者，如果决定使用传统项目交付模式，先进反应堆供应商应考虑与具有核工业经验的施工企业建立长期业务关系，最好采用组建合资企业或联合体的方式。

报告指出，鉴于先进反应堆广泛部署将需要大量熟练劳动力，能源部应在政府内部建立跨部门合作伙伴系，并与劳工组织、行业、监管机构和其他组织合作，确定关键领域的劳动力缺口，并为相应的培训计划提供资金，及时弥补这些缺口，以支持先进反应堆快速部署。

6 监管

美国现有核安全监管要求主要针对现有轻水堆，不适于先进反应堆，尤其是不以水为冷却剂的反应堆。推进先进反应堆商业化，核管会必须调整现有监管要求，使其适于先进反应堆技术特点。报告指出，如果不调整监管要求，先进反应堆将不会实现商业化。如果要实现及时部署，就必须迅速明确新技术的监管要求。鉴于核管会相关准备工作的紧迫性，国会应每年向核管会增加千万美元数量级的资源投入，并且这些资源不是源自现有许可证持有者和申请者支付的费用。

7 社会接受度

先进反应堆在美国碳减排方面发挥重要作用，首先必须获得社会认可。应从设计阶段工作开始考虑社会接受度问题，并在整个项目实施过程中持续加以关注。相关企业应与可能受新技术影响的社区沟通，倾听其需求和关切，并据此调整计划。社会学方法必须成为核能研究和开发工作的一部分，并与技术发展同样严肃对待。新的风险沟通策略——基于严格的社会学方法（超越投票）和对社区担忧和关切的尊重——可以极大地改善未来几十年的核能部署前景。报告建议，核电开发商和业主应采用基于共识的方法来开展核设施选址工作。

8 安全和保障

先进反应堆部署会带来新的安全（实体和网络）和保障（防止扩散）风险。报告建议，核管会应尽快根据先进反应堆技术特点修订现有安全要求，促使技术开发商在最初设计中就对相关风险加以考虑。在这一领域，美国能源部已制定和实施一系列计划，如“先进核安全、废物和能源研发”“加速核能创新接口”和“国家反应堆创新中心”，帮助技术开发商将安全和保障纳入反应堆规划和设计过程。

9 国际部署

许多技术开发商正在积极开拓国际市场。为支持这一行动，美国政府需要与现有核电国家和新兴核电国家签署更多的核合作协议。想要在国际市场上与俄罗斯国家原子能集团公司等国营企业竞争，美国开发商不仅需要研发出技术和经济上均可行的先进反应堆，还需要得到可靠的出口信贷融资支持。报告指出，美国先进反应堆的出口需要获得由联邦拨款、贷款和贷款担保以及各种形式私人股本和债务融资相结合的融资方案的支持。政府应与私营部门合作，为美国出口商提供有竞争力的融资方案。

国家间监管要求差异可能会阻碍先进反应堆国际市场开拓。该报告敦促美政府采取以下措施帮助开发商消除这一阻碍：在短期内通过双边安排（例如美国核管会与加拿大核安全委员会2019年8月签署的先进反应堆联合技术审查备忘录）进行更广泛的国际监管协调；从长远来看，通过与国际原子能机构和经合组织核能机构的协商。

10 结语

核电目前占美国总发电量的近20%，是最大的低碳电力来源。核能是一种清洁基荷能源，未来能成为太阳能和风能等间歇性可再生能源的有益补充。核能还具有多元化应用前景，能够助力其他行业实现碳减排。美核工业企业正在政府支持下开展先进反应堆技术研究，预计首批先进反应堆将在2030年之后实现商业应用。美国政府各部门（特别是能源部和核管会）、核工业和金融界需要在技术、经济、监管和社会接受度等领域采取积极行动，加速推进先进反应堆商业化应用，助力美国2050年净零排放目标。