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核能的未来:美国《先进堆开发与部署愿景和战略》

2017-01-27 17:09:00 中国能源网   作者: 杜铭海  
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去年美国能源部(DOE)悄悄发布了《先进堆开发与部署愿景和战略》草案(2016年5月27日,21版),不仅有部长欧内斯特莫尼兹和朱棣文倡导的模块式小堆(SMR),而且还有不依靠水冷却的先进堆。这个文件似乎一直未引起媒体关注,但清晰表达了美国能源部加速部署先进堆的愿景和战略。要求在2030年代初期批准并准备建设两个先进堆概念,作为战略部署的第一阶段[1, 2]

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美国能源部先进堆发展和部署愿景与战略(DOE image)

概要

全球努力应对气候变化,以满足能源需求的日益增长,需要美国和其他国家更多使用清洁能源。特别需要在本世纪中叶大规模部署清洁能源,以满足2015年12月在巴黎召开的联合国气候变化框架公约21次巴黎会议期间协商的清洁能源承诺。安全可靠地利用核能,可在实现国际气候目标方面发挥重要作用,同时提供经济上有竞争力、连续可得的动力(主要是电力)。

但是,鉴于未来几十年间许多核电机组要退役,维持2050年后美国电力结构中大量的“核存在”,几乎肯定会需要开发和部署新一代先进堆。先进堆概念,相对于现有的轻水堆技术,在增强安全、成本更低、资源利用率更高、减少废物管理的挑战、为工业企业联合生产工艺热能、提高防扩散能力,以及简化运行方面,有重大的潜在优势。在先进堆技术发展中,美国可通过行使领导作用,继续确保国家的安全目标体现在全球能源需求的新一代核选项中。在利益相关者信息输入的支持下,美国能源部(DOE)开发了“愿景与战略”,作为联邦清洁能源和国家安全广泛承诺的组成部分,支持先进堆技术的开发和最终部署。

愿景:到2050年,先进堆因在改进安全、成本、性能、可持续性,以及减少核扩散风险方面的优势,将成为国内和全球能源组合的重要、不断增长的组成部分。

认识到新核技术的部署可能需要15—20年,美国能源部将显著地、越来越强调对私营部门推进新一代反应堆概念的支持。

目标:2030年代初,至少有两个“非水”冷却的先进堆概念[3]将会达到技术成熟、证明安全和有经济效益、经美国核管理委员会(NRC)审批颁证,足以允许进行建设。

为了实现这个愿景和目标,能源部加速先进堆开发和部署的战略包括六个战略目标:

1. 加强核技术创新的基础设施,通过倡议的“加速核创新网关”(GAIN)[4],极大地提高私营部门使用DOE的专门知识和能力。GAIN使核能界有权使用DOE的技术、监管和金融支持,目的是大大加速新堆或先进堆设计从概念向商业化进展。明确地说,GAIN为使用关键的实验资源、计算能力和工程专门技术提供“单点联系”。与DOE技术转变办公室的清洁能源投资中心合作,GAIN已经启动,将有助于激励私营部门投资支持能源部门。

2. 展示先进堆的性能和退役的技术风险。DOE将与私营部门合作,建立新的工作机制,确定优先级技术需求,资助通用和设计特征两方面的研发(R&D)活动,旨在降低先进堆的技术风险,提高安全可靠性,加快发展,并提高经济竞争力。

3. 支持开发先进堆燃料循环路径。对现有的轻水堆和所有的先进核能系统,与核工业界合作,开发改进和先进的核燃料是主要目标。DOE在这个领域的努力,将集中在确保可持续、低浓燃料循环选项可用于未来、面向需要技术和能力的开发,使“用过的”核燃料和现有及未来的核燃料循环的废物,安全可靠地存储、运输和处置成为可能。

4. 支持为先进堆确立高效、可靠的监管框架。业内专家一致指出,因为先进堆技术商业化高度优先,需要一适当、高效而又可预测的监管框架。DOE及其利益相关者将与NRC共同努力[5],因为NRC发展新的监管流程,包括先进堆设计标准研发的努力、分阶段颁证流程,以及取照可能性审评过程的预申请。

5. 公—私营部门投资效益的最大化和激励政策探索,有助于私营部门加速先进堆的部署。明确地说,DOE将探索使用公—私伙伴关系和特定技术工作组,识别潜在的政府投资机会,可能有助于提出多个反应堆概念。此外,DOE可探索使用其他适当的激励措施,与其清洁能源投资中心合作,支持先进堆部署。

6. 解决人力资源和劳动力发展需求。DOE计划通过核能大学项目(NEUP),继续资助核相关研究项目、奖学金和助学金,并通过研讨会、课程开发、联合实验室、大学以及工业项目,创立培训的机会。

这个愿景与战略,为DOE预期未来支持先进堆概念开发和部署规划提供指南。

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美国先进堆发展和部署愿景与战略的核心是到2050年使核能装机容量翻一番(DOE image)

结论

DOE的先进堆开发和部署战略包括的具体目标是:提高实验和测试设施能力,扩大利用设施、专业知识和退役技术风险,开发燃料循环途径,协助NRC努力建立先进堆监管框架,有效地最大化私营部门加快部署的资源,并解决人力资源和劳动力发展的需要。实施与这些目标相关的活动,需要协调和排序,以确保联邦的各项努力产生所需的结果。各种活动必须优化并配给需要的资源,以便在正确的时间为正确的客户提供正确的解决方案。

由于独特的先进堆概念发展的需求截然不同,这种策略的所有元素或许并不适用于所有的概念。然而,DOE设想用这个愿景和战略指导纲领性的努力,在2030年代初,至少支持开发和部署两个先进堆概念。

改善DOE的基础设施并使之便于利用,对于多数技术和概念有很大好处。努力减少技术风险是为了解决特定的技术问题,推进概念的成熟度。DOE至少支持开发两个新堆概念,并不想挑选技术领域;相反地,目的在于展示有更多的资金可推进特定的概念,同时也表明先进堆正在做出有生命力的进展,能够满足国家清洁能源的需求。DOE的专业技术和基础设施将协助NRC建立监管框架的努力,有助于有效和高效地提交颁证申请和NRC的后续审查过程。燃料循环研发包括开发更长远概念的特定燃料,探索先进堆的燃料处置。努力使公—私营部门投资的效益最大化,开发有非水冷堆技术专长的人力资源,对于加速先进堆部署也必不可少;而且要确保,不仅开发需要人才,未来运行这些新堆也需要人才。

这个战略的要素可支持不同发展层次的反应堆概念。同时,DOE还制定了一想象的、完成先进堆概念设计过程并向NRC提交许可申请的时间表,也就是一个近期内能达到的里程碑。另外的、不成熟的反应堆概念,需要更多的时间解决设计、燃料、材料或设备(部件)开发的挑战。对于这类的某些长远的概念,DOE可以支持特定的发展需求。DOE还将继续与核工业组织共同努力,在先进堆开发和部署中,追求共同的目标。

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当前的计划目标是2017年完成先进堆总体设计准则。NRC希望尽早参与潜在的申请人与许可相关的任何政策问题,以便提交申请前能有一个及时的解决方案。在此期间,研究和开发的目标仍然在于和燃料、材料和设备(部件)相关的退役退休技术风险。DOE期待通过GAIN提高国家的核创新基础设施,使行业更好地利用美国能源部的能力和专业技术。此外,2015年启动能源部费用分担的支持进一步发展两个先进反应堆的概念,预计将持续到2020年……(DOE image)

依据资料与注释:

1. DOE, Vision and Strategy for the Development and Deployment of Advanced Reactors, Version 21, 27 May 2016, Unpublished Draft

2. Jeff McMahon, Energy Dept Plans Advanced Reactor Surge, Forbes, JUN 19, 2016

3. “非水”冷却的先进堆:指反应堆主冷却剂不是水的核能系统,如氦气、熔盐、液态钠与钾或其他重金属(铅、铋等)

4. GAIN,the Gateway for Accelerated Innovation in Nuclear:provides a single point of contact for users interested in a wide range of nuclear energy related capabilities and expertise. As an initiating step, Idaho National Laboratory will serve as the GAIN integrator, coordinating access to nuclear energy-related capabilities across the DOE complex. Various access mechanisms are available through the Nuclear Science User Facilities (NSUF), NE Vouchers, etc.

5. USNRC, NRC Vision and Strategy Safely Achieving Effective and Efficient Non-Light Water Reactor Mission Readiness, ML16139A812 (draft revision 1)



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责任编辑: 李颖

标签: 核能 先进堆

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