先进堆部署架构—“全球关联创意”研讨成果概要

2015年8月12日，美国核能研究所（USNEI）和全球核安全伙伴（PGS）宣布为期两年的联合行动计划:全球关联创意(GNI)，旨在鼓励国际政策专家共同努力，设法应对气候变化、核能和全球核安全的挑战[1]。专家们来自丹麦、法国、日本、瑞典、阿联酋和美国的非政府、学术和私营部门，有能源、环境，以及安全方面的工作经验，将召开一系列会议和研讨班，努力寻求维持全球经济增长，同时满足能源需求并缓解气候变化风险的方案。这有显著的经济和社会影响，需要全体利益相关者的投入；意味着各项政策必须在国家、地区和全球层面上加以协调。PGS是总部在美国的无党派、非营利组织，重点是加强全球核治理、促进实用性政策，确保所有核材料与核设施的安全。

2015年12月9日，GNI发布阶段性报告《核能在限碳世界的作用和责任》[2]；2016年11月3日发布《先进堆部署架构：政策与问题》[3]；2017年2月16日宣布，将在5月2日发布《满足气候变化核能可靠发展的新建议》[4]。以下是阶段性研讨成果的概要。

一． 核能的作用

下一代（又称"第四代"）核反应堆正处于关键技术开发和未来部署间的"十字路口"。如果能满足21世纪中叶及以后气候变化和全球能源的需求，就须加快部署这些新的反应堆。从概念到商业化转变，最快需要10-15年期，而且必须伴随一监管体系，确保这种新型反应堆安全、安保和防扩散。

这种新型反应堆，即模块化轻水小堆和先进的"非轻水堆"，有一系列规格尺寸，相对今天世界各地占优势的大型轻水堆，有可能成为更容易部署和运行灵活的"选项"。先进堆还有下列特征：有不同的冷却系统，能提高效率和安全；建设上可降低资本成本；燃料循环对环境影响小；可能更防核扩散，更便于实施核保障措施。

此外，下一代反应堆可能在海水淡化上发挥作用，为需要的国家和地区提供新的淡水资源。所有这些属性加上零排放地发电，在碳排放受限制的今天，使先进堆成为有吸引力的能源。

下一代反应堆除了应对气候变化的利益之外，也可为2030年普遍获得负担得起、可靠和现代化的能源，为满足联合国可持续发展目标，作出重要贡献。目前全世界大约12亿人(占总人口的17%)没有可靠的电力供应。实现这一目标又不增加碳排放量，至关重要的是推进全球人类潜能，激励经济持续增长和发展。

私-公共部门明确表示他们有意提供潜在的下一代反应堆，现在美国有四十多家公司正从事研究，私人资本投入约为13亿美元。但是目前，"研究和发展"比"示范"多，需要澄清广泛商业化的道路，给予更多的支持。为达此目的，还有许多部署的障碍需要加以克服。

对于先进的、非轻水堆技术，最紧迫的挑战是有个高效的监管体系，就其在可预测的时间内加以部署的能力，提供确定性。这种堆的建设和运营成本也需与其他能源选项，特别是煤炭、储能支持的可再生能源和天然气相比，更具竞争力。这种技术降低成本的能力还有待证实，还需要运行试验和示范，证明其可行性、安全、保安和防核扩散能力。这种新堆还必须获得政治和公众的信任。要达到这些目标，需要下一代核能在开发、测试、监管、部署和管理上有制度和文化方面的改变。

为了及时做出贡献，以满足世界面临的能源和气候的挑战，先进堆必须在2025-2030年时段加以部署。这个时间的挑战很重要，尤其考虑195个国家按照巴黎气候协议的承诺，限制全球变暖1.5 - 2℃以下。意味着本世纪中叶稍后要建立接近"零"碳排放的能源系统。

在目前能源环境下，现有的核反应堆群发电超过全球零排放电力的30%。然而，这种贡献受到当前全球堆群"年龄"的威胁。例如，美国所有现在运行的反应堆的"寿命"将在2029-2055年间达到60年。这些反应堆，不知有多少能延寿到80年，而其余的终归要退役。经济和政治压力还导致美国、欧洲和日本的公用事业部门提前退役多个反应堆。

如果现有堆群提供的清洁能源效益大幅下降，假设本世纪中叶可再生或其他零碳能源选项可大大弥补这种下降，有相当大的风险。因为除了取代该堆群产生的无碳排放"效益"之外，还需要这种资源取代剩下的、今天世界上60%的电力来自于化石燃料和所有未来的能源增长。至少未来在这一点上，储能支持的可再生能源单独或碳捕俘和封存（CCS）支持的化石燃料以及能源效率相结合，是否可以满足这些目标，是不确定的。最近美国核电站已经关闭的地方，因主要靠天然气替补电力，碳排放量在增长。

如果非核的零碳能源和相关技术不能实现碳减排目标，那么，求助于碳排放的电力资源，包括天然气或没有CCS支持煤炭，不可避免地意味着不能满足激进的气候目标，还有随之而来的全球性后果。

图1. 三种情景，电力平均的碳含量演变[5]

二．《全球关联创意》的十个政策建议

I：满足"气候目标"

1. 虽然正在建造或考虑建造大量大型轻水堆，但主要是发展中国家；对于发达国家现有发电堆群"即将到来"的衰退，下一代核反应堆或许是很有希望的技术，也是个经济解决方案。然而，仍有许多不确定性与这种反应堆相关，需要加以解决，包括经济、安全、核保障措施和保安方面的考虑。目前，许多先进堆还处在"概念设计"阶段，尽管许多概念以前曾以某种形式"验证"过。如果这些堆想要满足巴黎协议确定的清洁能源需求，需要加速进入"演示"阶段。

2. 作为追求部署的下一代反应堆，必须清晰理解激进的气候目标施加的"紧迫性"。现有轻水堆群和未来的先进堆都有减排效益。从巴黎协议的观点看，如果零排放的核能因退役而减少，替代技术不足以补偿，导致依赖碳排放更多能源，使碳排放量上升，这种结局是不可接受的。

II：技术验证

3. 先进堆的国际市场需要做真实性评估，潜在的购买者和运营商需要鉴别所需反应堆的特点、成本以及部署需要的时间表。

4. 为及时部署下一代反应堆，必须在近期内设立研究和开发测试台架和验证平台。这将帮助有效地解决与反应堆取照、支付能力、风险管理、安全、核保障措施、安保以及废物管理相关的问题。也将推动最有"前景"的设计，支持持续创新。进入这个阶段需要政治意愿和长期的财政支持。先进堆技术的数量肯定会因演示阶段的"收益"而减少，而且会重视减少设计"多样性"，尽可能跨界协调这些反应堆的取照要求。可能允许"拍卖"机组堆群，方式类似于喷气班机，避免反应堆具有独特的品格，或要求每个国家重新设计。

5. 与核时代初期不同，先进堆的原型设计与验证不大可能完全靠政府财政，但国有经济体除外。在自由市场经济体内，先进堆设计通常会更多依赖私人融资。然而，让私营企业单独承担这种尝试，可能过于昂贵，也太危险。因此，最好的前进道路是在示范阶段公私"合伙"、费用分摊。政府可提供设施、专业知识以及某些财政支持，展示政治鼓励；私营部门可致力于技术验证，评估最有前途的反应堆概念，按照市场需求推进这个过程。

III：加快颁证

6. 如果下一代反应堆技术是满足国际气候与能源目标的现实、可部署的选项，美国对这种技术的颁证过程必须是先进的。美国核管会（NRC）应该参与一个"分阶段"过程的技术创新，并在设计开发和验证中提供有意义和有用的监管事宜反馈。这将鼓励私人继续投资，允许"筛选"出最有前途和成熟的技术。

7. 为了开发先进堆的国际颁证标准，同等重要的是利用国际监管论坛，如经济合作与发展组织(OECD)核能机构(NEA)的跨国设计与评估程序(MDEP)。追求协调一致和高质量的国际监管制度，能创造更大的国际信任，使这种先进堆型共同努力解决安全、核安保和保障措施保护方面的忧虑。

IV：增强安全和安保

8. 高水准的核安全、核保障措施和安保应该纳入最初的反应堆设计。应相对现实和有挑战性的场景，严格测试这些设施，进一步加强这些系统。

9. 任何先进堆的燃料循环应减少核扩散的可能性。国际社会尤其应反对先进堆的燃料循环，旨在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燃料的浓缩度超过20%。现在国际上过多的分离钚，对某些国家几乎成了"灾害"，值得其他国家警惕。

10. 开发"下一代"反应堆概念的同时，国际社会应承认并通过增强国际法律框架，努力解决全球核安保机制存在的"重大差距"。

三．美国先进堆的进展

1.美国政府刚"换届"

美国能源部今年一月重新发布《先进堆开发与部署的愿景与战略》[6]。与去年5月27日悄悄发布的草案[7]比较，内容没有实质性的变化。只是说，"越来越对先进堆感兴趣，而且有充分的理由。先进的非轻水堆，作为现有核技术、新的大型反应堆和新的模块式小堆的组成部分，能提供可靠、安全、清洁的能源。随着老电厂退役以及经济扩展创造的额外能源需求，将来需要许多核能发电选项"。能源部"支持开发和部署先进堆，作为未来核能发电的有生命力的资源"。

先进堆开发与部署的"大事年表"如下：能源部发动多方面的努力，支持2030年代初至少两个商业先进堆概念的设计并颁发许可。最新的计划目标是，2017年完成先进堆的总体设计准则。NRC希望提早参与潜在申请者的任何与颁证相关的政策问题，以便提交申请前有个及时的解决方案。在这个时期，与燃料、材料和部件相关、针对退役技术风险的研究和开发将继续。DOE期望通过"加速核创新网关"（GAIN）创意，加强国家的核创新基础设施，改善核工业利用DOE设施的能力和专业知识。"探讨"的反应堆定于2018年"上线"。此外，DOE"费用分摊"地支持两个先进堆概念进一步发展，2015年启动，预计将持续到2020年。与此同时，DOE的试验/示范堆研究，2016年已完成，为支持未来反应堆商业化提供更多的选项，如果需要的话，期望一个潜在的新的试验或演示堆将于2020年代末投入运行。

能源部意识到，"为满足我们的减排目标和避免气候变化的最坏影响，需要大幅减少电力行业的排放。从煤炭转向天然气减少了美国的碳排放量，但并不足以达到设想的CO 2大幅度削减。减排80%可能需要整个电力行业脱碳"…"底线是，实现全球碳排放减少所需速度和规模，避免气候变化，核能必须发挥应有的作用。" [8]

但刚刚上台的特朗普政府，虽然在政策上支持发展核电，但在气候变化上，有许多理由使人担心…

2.对"核技术创新"的期盼

对于美国未来的能源基础设施，继续创新"至关重要"。25-30年内，建立在轻水堆基础上的美国电网将包括一系列新的设计，能提供广泛组合的关键能力，满足未来的能源需求。这些设计是科学家和企业家几十年来不断创新的产物。他们认为，新一代核能技术可满足未来能源变化的需求。

目前，现有轻水堆、模块式小型轻水堆和先进的非轻水堆三组核技术进展明显，但形势并不乐观[9]。无论从美国，还是其他发达国家看，大量续建新的、大型轻水堆的前景"渺茫"。主要原因是开发商（西屋和阿海珐）背离开发"第三代"轻水堆的"初衷"（提高安全性，降低成本），脱离成功运行的"二代"核电的技术和设施供应链，迎合某些不真实和虚狂的要求（60年寿期和安全壳抗撞击），致使所有在建的"三代"核电基建成本和工程量大增，施工进度严重拖期…

美国核能研究所（实质上是个"行业协会"）认为，美国即将"进入模块式小堆（SMR） 的新时代"，预计2020年前后开始部署。但实际上，目前只有NuScale能源公司刚刚向NRC提交设计认证申请。如果一切顺利，第一个商业化的模块式小堆（SMR）核电机组将于2026年开始运行。这是个直径2.9m、高17.4m、堆芯模块重达600吨的压水堆机组，单机装机容量只有30MWe，靠它取代常规燃煤电厂，显得太"单薄"了……

图2. 美国NuScale能源公司设计的模块式小堆核电厂

3.先进堆开发现状

据说美国有40多个公司和研究机构，私募投资多达13亿美元，正在开发先进堆设计，包括熔盐堆（MSR）、液态金属冷却堆和高温气冷堆[10]。DOE去年一月宣布，提供8千万美元"费用分摊"的支持，帮助反应堆技术开发商X-能源（X-energy）和泰拉能源（TerraPower）公司与国家实验室、大学以及其他公司合作，开发球床式高温气冷堆（HTGR）和氯化物熔盐快堆（MCFR）设计。其实，X-能源的HTGR与我国山东荣成高温气冷堆示范项目（HTR-PM）基本相同，但装机功率只有35MWe，建成发电的计划时间晚十多年。泰拉能源最早开发行波堆（钠冷快堆），最近增加MCFR，除下图外，至今还没发布最起码的信息。

图3.美国南方核电公司与泰拉能源公司开发的氯化物熔盐快堆

但是，民间非常"推崇"熔盐堆。1月24日，加拿大陆地能源公司（TEI）的美国子公司宣布，它已通知NRC，想在2019年提交其400MWt 的一体化熔盐堆（IMSR）取照申请，今年开始与NRC做取照前的"互动"。这个公司正在审评首个商用机组的四个潜在场址，2017年底选定一个在爱达荷国家实验室，三个在密西西比河东部。陆地能源还在寻求12亿美元的联邦贷款保证[9]。

其实，IMSR实质上就是上个世纪中期美国橡树岭国家实验室（ORNL）熔盐堆实验装置（MSRE）的翻版，美国熟悉MSR发展过程的核科学家和工程师早就认为，这是个建立在成熟技术和材料基础的设计，可立即建设，成功没有悬念。唯一不能确定的是："如果必须每10年就要更换关键部件，那就不会比煤碳更便宜" [11]。说这话的是美国转变核能（TAP）公司首席执行官、美国麻省理工学院博士后莱利斯·德万(Leslie Dewan)。她开发的熔盐堆也源自ORNL的MSRE，只是氟盐和慢化剂有改进，也得到了美国能源部的资助，通过GAIN与ORNL合作得到的报告确认，利用现成的5%的浓缩铀"可运行几十年" [12]。

但是，熔盐堆设计还有某些挑战，主要是材料和腐蚀问题。美国与国际上主流核科学家多倾向证实的钠冷快堆技术，如通用-日立公司（GEH）开发的311MWe创新动力堆小模块（PRISM）。世界核新闻（WNN）去年11月1日报道，GEH和南方核能运营公司（Southern Nuclear）宣布，两公司正就快堆、包括PRISM钠冷快堆开展合作[13]。双方签署谅解备忘录，同意在将来美国能源部先进堆取照规划中共同工作，但还没有看到官方的任何正式"反响"。

4. 先进堆监管体制

全世界都承认，美国开发先进堆历史"悠久"，经验教训丰富；美国核管会的监管体系是"黄金标准"。这次由民间组织出面组织"全球关联创意"(GNI)活动，有深意，强调核能是"全球关联"的，竞争的国家对有效核管控的重要性有不同观点，需要更多赞赏NRC积极参与全球核能源市场的正面影响和重要性。供应商和接纳国家之间的合作关系，通过反应堆建造、运营和退役，可以延续一个世纪。这会影响广泛的、至关重要的外交政策、经济问题和各种目标。要用先进技术，支持美国这个充满活力的科技部门，提高它在全球的领导地位，加强国际安全和稳定[14]。

但是，一个高层的总体规划尤其要包含政府机构的总体目标和可接受的程序。美国NRC在去年12月正式发布《NRC愿景与战略：安全实现非轻水堆有效和高效使命的准备》[15]，表示"能依据现有的框架，给一个非轻水堆颁发许可。"

5. 先进堆"应急准备"

NRC认为，在源项、裂变产物或预计的场外剂量方面没有场址特征或设计特征信息的情况下，可以制定应急准备构架，NRC的技术人员将严格审评申请者特定的提议"确保申请者提供的场外剂量后果信息与要求的应急计划区（EPZ）大小相称。"

NRC认为，应当承认小堆和先进堆有"增强安全的特征"。"技术中性、剂量为基础和后果导向的应急准备方法，包括EPZ的距离可变，适用于小堆和先进堆"…这意味着EPZ的距离可小到与电厂场区边界一样。如果计算的场区边界处剂量不超过防护行动导则（PAG）1雷姆，就不需要联邦应急管理署预先计划的放射性应急准备大纲 [16,17]。这正是全世界核能界开发第四代核能系统"安全可靠性"追求的"技术目标"。严格地讲，还需要"场外放射性应急准备大纲"的先进堆，不能称之为"第四代"核能系统，也不能解除普通的社会公众对核能的"忧虑"。由此也可以理解，某些先进堆的设计为何最初容量那么小了。

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参考资料：

1. WNN，Initiative calls for clearer path to advanced reactor deployment，09 November 2016

2. GNI，The Role and Responsibility of Nuclear Power in a Carbon Constrained World，December 2015

3.GNI，A Framework for Advanced Nuclear Reactor Deployment: Policy and Issues，September 2016

4.GNI，Release Date Announced，16 February 2017

5.World Bank Research Digest，Pathways toward Zero-Carbon Electricity，VOLUME 10 NUMBER 1 FALL 2015，p.4-5

6.DOE，VISION and STRATEGY for the Development and Deployment of Advanced Reactors，DOE/NE-0147，January, 2017

7.DOE，Vision and Strategy for the Development and Deployment of Advanced Reactors，Unpublished Draft，Version 21，27 May 20168. Sal Golub，Vision and Strategy for the Development and Deployment of Advanced Reactors（slide），June 17, 2016

9.USNEI，Nuclear Technology Innovations-A Look Forward，Jan. 26, 2017

10. Gary T. Mays，Status of Advanced Reactor Development and Deployment (slide)，February 23, 2016

11. PBS，Demand for clean energy inspires new generation to innovate nuclear power，January 4, 2017

12. ORNL/TM-2016/742，Two-Dimensional Neutronic and Fuel Cycle Analysis of the Transatomic Power Molten Salt Reactor， January 15, 2017

13.WNN，GEH and Southern team up on Prism，01 November 2016

14. George Flanagan & Robert Bari，Nexus of Safeguards,Security and Safety for Advanced Reactors (Slide)，February 23, 2016

15，USNRC，NRC Vision and Strategy Safely Achieving Effective and Efficient Non-Light Water Reactor Mission Readiness，ML16356A670，December 2016

16. USNEI，NRC Recommends New Emergency Preparedness Rules for Small Reactors，June 18, 2015

17.USNRC，OPTIONS FOR EMERGENCY PREPAREDNESS FOR SMALL MODULAR REACTORS AND OTHER NEW TECHNOLOGIES，SECY-15-0077，May 29, 2015