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核能的未来

2017-01-19 15:16:00 中国能源网   作者: 编写:杜铭海  
论文来源
中国能源网

--美国能源部长莫尼兹的"离任"遗赠
 

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作为核工程师,我对美国共和党的"亲核"倾向有好感;是小布什政府在本世纪初开启了"第四代"核能的研究与开发。但我一直关注美国麻省理工学院教授、核物理学家欧内斯特·莫尼兹组织编写的研究报告"核能的未来"的证实及他的活动,直到他作为民主党奥巴马政府第二任期的能源部长,提出"离任备忘录"[1]。

我发现,这些年来国际核能发展有反复,也有进步;美国核能发展"缓慢",但与世界其他国家"翻来覆去"不同,一直在稳步前进。这或许与美国体制下不同技术观点公开碰撞、砥砺、磨合、取得"共识"有关,但也不乏莫尼兹作为教授、部长的贡献。

观察莫尼兹,应从2003年发表MIT《核能的未来》开始[2,3],直到接替诺奖获得者朱棣文进入奥巴马内阁的技术活动… 莫尼兹在他的"离任备忘录"中虽然谈到"重新振作"核能选项,但显然不是完整的表达。其实,他在离职前的两年内,在全球气候变化大背景下,与国内核能界在核能与清洁能源理念方面达成的许多共识,提前做了多方面的安排。

莫尼兹委婉、完整地表达他对美国核能未来的观点,是去年10月24日在美国"战略与国际研究中心"召开的《核能在十字路口》活动中的主题演讲[4]。他说,需要在今后五年内解决八个紧迫的、阻碍核能的未来、也阻碍它在美国脱碳中做出更多贡献的问题。他认为,核能应当成为国家能源未来的支柱;先进核能要有更多的公众参与,应该得到更多的激励和资助。

1. 美国现有核反应堆群的命运可能影响国家的碳排放

低价天然气、市场动态、技术问题以及支持可再生能源的政策,促成关闭或宣布关闭14个核反应堆。美国99个反应堆(包括已商业运行的瓦茨巴2#堆和关闭的福特·卡尔霍恩核电机组),大约一半处在解除管制的电力市场上。莫尼兹认为,纽约州批准的激励制度有助于北部地区三个核电机组未来十年仍然经济,虽受到质疑,但是保护这些电厂的"新颖办法",其他州如伊利诺、宾夕法尼亚和俄亥俄也在做类似的努力。莫尼兹说,在"清洁电力规划"背景下,各州正在编制环保规范,提交未来五年实施计划,发生这样的关闭潮是个"讽刺","使各州的选项狭窄,不是好办法"。

2. 今后五年四个新堆并网发电,但都在东南部地区

要关闭的核电机组不在这个地区,而新建造的机组集中在传统市场上,有典型的、垂直整合的公益事业组织的地区。应严肃考虑监管结构和成本回收机制。对沃格特勒(Vogtle)和V.C.萨默(Summer),必然产生意见"纷争"。但他说,对于未来的核能部门,重要的是新建机组的成本效益和进度控制,前进的道路"更清晰"了。

莫尼兹在2003年就认为,在解除管制的市场上,核电没有与煤碳和天燃气竞争的成本优势。新堆的发展实践证明,基建成本不降反升;原来设想"建议电厂建设成本的生产税抵免可高达200美元/千瓦"远远不够。现在能源部建议的奖励机制是与其它无碳排放技术取齐,约为 $0.27/MWh,或许"纷争"不致很大[5]。

3. 美国核反应堆群在老化

80多台商用核电机组获准运行60年,但其中41台机组超过40"岁"。莫尼兹说,"如果核电机组运行60年前后退役,或至少多半数退役,那退役"大潮"2030年就会到来。公用事业部门计划取代"低碳"电力,要提前十年做出资本配置的决策。换句话说,未来五年将更多面对大量资本规划的决策"。到目前为止,只有两个反应堆业主考虑寻求运行80年的许可(艾斯能公司的桃花谷2和3号机组,自治同盟公司的萨里1和2号机组)。如果其他电厂的业主也要求延寿,那将是个"巨大的交易",能把2030年代的"到期关闭"推迟到世纪中叶。他指出,这意味着未来五年"需要做出某些相当大的选择"。

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福岛事故没有改变美国核能与核科学界对它现有核反应堆群安全的信心,这与该行业实施严格的安全监督程序有关。"设计寿期"实指"运行许可证期限",每个设备和系统能否投入"运行"完全依靠"运行限值和条件"逐条检验,与机组新/旧无关。新堆设计"60年寿期"给核工业带来的新问题和经济问题严重,"好心"砸了自己的饭碗。今后用什么样的"先进轻水堆"替代退役容量是个大问题。

4. "未来"需要可靠、有弹性、脱碳的电力系统,但还很不清楚它是什么样子

为建立脱碳的电力系统,正在做出改变,然而就其"各种"服务和特征评估而言,许多问题仍"悬而未决"。这包括:"燃料多样性、基荷、装机容量、储能各有什么价值?…"。能源部要为四年一次的"能源审查"提供信息,包括"界定"这些评价。

莫尼兹指出,在"脱碳"的电力系统中,核能有可能"至关重要",但并非"人人都赞成"这个观点。"有人认为,节能、风能和太阳能,再与天然气相结合,至少在近期能使多变的可再生能源保持平衡,最终走向经济的大规模储能的系统,不需要基荷电力"。莫尼兹反复强调,"我不赞同这种观点……"

莫尼兹说,保持可选择性是关键:"现今,天然气发电基建成本低和燃料成本低,增长非常迅速。但我认为,在未来燃料成本未知的情况下,以天然气为主建立一个系统,风险管理上不适当"。美国面临一个问题是,碎片化的监管机制内"高度分散的决策"。时间也是个问题:很明显,考虑到确保基础设施投资的时间很长,要在未来5到10年之内开始行动"。

5. 乏燃料管理需要启动

莫尼兹说,"能源部有一段时间,继续就上个世纪80年代早期签订的合同,与各州和公众事业部门打交道,进行'结算',所处地位…对核能方面的许多决策非常不利"。例如,政府本应1998年开始从长期关闭的拉克罗斯沸水反应堆现场运出乏燃料,因违约向达里兰(Dairyland)电力合作组织提供损害与和解赔偿,两次判罚赔偿总额达1.111亿美元。

莫尼兹说,"开始从电力公司清除乏燃料至关重要"。"我仍然相信,统一存储,有时称为临时存储,绝对有必要。这与何时建成地质处置库无关。临时存储应该是整个系统的一部分,可以快速前进"。如果国会授权能源部行驶职权,不论公/私方谁"都可在不超过五年时间内有个试验设施试运转起来"。

美国民用乏核燃料一直实施"一次通过"式燃料循环,累积的乏燃料总量达7万吨,而且还以每年2000吨的速度增长。美国人不是不想核燃料"闭环",关键是政治风险,经济成本高,技术上也不过关。美国原与俄罗斯达成减少核武库协议,要把34吨高纯钚制成民用核燃料,放入堆内"销毁"。美国为此已花费几十亿美元,据说技术装备费高达上百亿美元,远不如与高放废物"混合"固化成核废物,经济上更合算…这与中国核工业某些人急迫"闭环"的观念完全相反。

6. 核燃料循环、防止核扩散领域存在"缺口"

莫尼兹强调这些方面有很大进展。唤醒注意这类问题,包括"继续讨论"东北亚后处理和伊朗协议。他说,"美国公司在全球核供应链中的角色,是我们在核不扩散体制内实际行动的极其重要的支柱。"

防止核扩散,主要是政治问题。如果国际社会反对先进堆的燃料循环,旨在反对"为将来增殖过多的堆用钚,也应反对囤积分离钚,反对用铀-235浓缩度超过20%的燃料"[7],技术上难度不大。

7. 模块式小堆"未来"评估

能源部期望首个SMR十年之内通过联邦取照,并有可能在随后五年内"铺开"。莫尼兹说,"关键问题显然是了解它们在现实世界的性价比参数。"怎样使SMR有机会展示"核反应堆的不同融资结构",也很重要。在西方,开发轻水冷却的SMR成本和大堆没有明显优势,近期成本很难有明显的下降。

8. 推动先进核技术需要大量资金

虽然大家对先进核技术如熔盐、快中子和高温气冷堆有浓厚的兴趣,先进技术的"未来"还缺少联邦政府的支持。莫尼兹指出,9月22日发表的能源部长顾问委员会的报告[5],指定的任务是评估2030-2050年间部署一个或多个先进核技术"需求"。"最终答案部分是,至少在很长一段时间内每年需要有5亿美元的联邦支持,"莫尼兹说。"这是很长的一段时间,意味着如果想2040年达到,早就应当开始"。

这儿所谓的先进核技术,主要指"非水冷"的先进核能系统,而且要有"负荷跟踪能力"。目前美国举国上下,不分党派,一致支持开发先进堆,就害怕落在俄罗斯和中国后面。

莫尼兹指出,奥巴马政府恪守"使命创新"承诺,联邦能源研究与开发(R&D)的努力得到提升。去年11月在巴黎会议上,包括美国在内的20国签署倡议[8],开始加倍未来五年清洁能源的研发投资。莫尼兹说,能源部的核能规划,今天有5-6亿美元的研发预算。"如仅适当在名义上翻一番,达到每年12亿美元,一个规划骤然间就可除延长寿命、SMR和核废物问题之外,包括先进堆开发"。他说,这项措施有强大的两党支持。"诀窍显然是使这种热情与预算数字匹配"。

观察莫尼兹,是因为进入21世纪以来,他领导编写的MIT-2003"核能的未来"和MIT-2011"核燃料循环的未来"[9]预示的发展前景,在实践中得到证实,而且逐渐成为美国核能界的共识。站在国家立场,美国的情况有参考、借鉴意义,可使我们少走"弯路"。

参考文件

1.U.S. Department of Energy,Secretary Ernest Moniz  Cabinet Exit Memo,January 5, 2017

2.MIT 2003-The Future of Nuclear Power,ISBN 0-615-12420-8

3.MIT 2009-Update of the MIT 2003 Future of Nuclear Power Study

4.Sonal Patel,Moniz: Eight Critical U.S. Nuclear Power Issues That Should Be Addressed Now,POWER,10/26/2016

5.U.S. Department of Energy,Secretary of Energy Advisory Board Report of the Task Force on the Future of Nuclear Power,September 22, 2016

6.Sal Golub,Vision and Strategy for the Development and Deployment of Advanced Reactors,DOE NE,June 17, 2016

7.A Framework for Advanced Nuclear Reactor Deployment Policy and Issues,Policy Memo and Recommendations September 2016

8.The White House Office of the Press Secretary,FACT SHEET: Obama Administration Announces Actions to Ensure that Nuclear Energy Remains a Vibrant Component of the United States' Clean Energy Strategy,November 06, 2015

9.MIT 2011-The Future of the Nuclear Fuel Cycle-Final April 2011,ISBN 978-0-9828008-4-3


责任编辑: 江晓蓓

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