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经合组织核能机构公布小堆近期部署潜力报告

放大字体  缩小字体 中国核电网  | 发表于:2017-01-11 | 来源:中国核科技信息与经济研究院

经合组织核能机构(OECD/NEA)近期在网站上公布了一份题为《小型模块堆:近期部署的核能市场潜力》的报告,介绍了核能机构近期获得的小堆研究成果。下文对这篇报告进行了介绍。

在降低核电厂造价以及为小型电网系统供电等愿望的驱动下,小堆的发展和部署近年来备受关注。过去几年中,许多小堆项目已取得显著进展。两种小堆设计已启动首堆建设:阿根廷的CAREM-25设计和俄罗斯的KLT-40S(注:根据国际原子能机构(IAEA)的资料,有三种小堆设计启动首堆建设,第三种设计是中国的高温气冷堆(HTR-PM))。为了能够量化小堆的中短期市场规模,核能机构启动了一个项目,收集和分析有关小堆经济性和市场数据,包括估算工厂制造费用。首先向小堆供应商和潜在客户发放调查问卷和进行面谈,以收集相关数据。然后将这些数据用于评估小堆的商业部署潜力。在这项研究中,仅考虑成熟技术(即基于轻水堆技术的小堆设计)和预测中短期发展情景,并考虑小堆市场的各种影响因素。

小堆的经济性和市场

小堆与大堆的不同之处在于小堆的输出功率小(通常低于300 MWe),而且许多小堆采用了模块化设计。单个反应堆模块能够在工厂制造,然后运至厂区安装。大部分小堆还受益于使用更少的结构件、系统和设备。

小堆的经济性(造价、运维费用和燃料费用)目前仍未得到实践证明。根据小堆供应商的描述,小堆具有下述特点:

小堆设计者强调他们的设计方案加强了核安全,并允许使用独特的非能动安全特性。

许多小堆设计受益于使用更少的结构件、系统和设备以及简化的能量转换系统。

由于建设单台机组所需的前期投资较低,因此小堆电厂建设集资更容易。

在拥有大量可再生能源电厂或小型电网的市场中,由多座小堆组成的电厂可为电力公司提供更好的运行灵活性。大部分小堆设计能够以负荷跟踪的方式运行。

相对于大堆,小堆对电力传输基础设施的要求较低。因此小堆适于在更多的地点部署。

在涉及运行和停堆作业的人力资源管理方面,由多座小堆组成的电厂也优于由一座大堆组成的电厂。此外,电厂拥有多座小堆,可以避免电厂出现因停堆检修和换料而长时间不能发电的情况,因为可以对多座小堆进行逐一停堆检修和换料。

小堆的能量输出非常适于现行的水暖输配网络,因此,小堆适于在发电的同时进行海水淡化(即水电联供)和区域供暖(即热电联供)。

小堆的模块化建设及其小尺寸有利于退役工作的开展。

根据目前的估计数据,如果能够实现小堆的竞争优势,那么小堆的单位装机容量造价将低于大堆。如果实现批量建设,则可以通过优化供应链和降低融资费用来降低小堆造价。小堆供应商估计,大部分小堆设计需要建设5至7座电厂才能从供应链优化中受益。因此,对于小堆能否实现理想的竞争力,市场规模(决定实现工厂制造的可能性)尤为重要。

小堆的可变费用(即运维和燃料费用)很可能会高于大堆。预计小堆的燃料费用会高于大堆,因为小堆的堆芯尺寸小及其燃料利用效率较低。运维费用将取决于小堆设计者的一项能力,即向核安全监管机构证明小堆使用相对较少的人员也能够满足适用的安全和运行要求。对于由多座小堆组成的电厂,单位发电量的运维费用很可能会下降,但这将取决于监管要求。

因此,如果能够实现工厂批量制造,则小堆造价的绝对值以及单位装机容量的建设费用均可能低于大堆,但小堆的可变费用较高。在经济性方面,小堆的发电成本在燃煤电厂和大型核电厂之间。

核能机构预测了小堆到2035年的两种发展情景(详见图1):一种是乐观的高值情景,即小堆成功通过监管机构的审批并实现工厂制造;另一种是保守的低值情景,即小堆的建设和运行都很昂贵,因此仅建成数量有限的项目,包括原型堆和位于偏远地区的电厂。

在高值情景中,小堆装机容量到2035年将高达21 GWe,占全球核电总装机容量的约3%。这一情景中,2020—2035年建设的小堆容量将占新建核电总容量的约9%。这两种预测情景均没有考虑小堆技术和监管框架的进一步发展导致核电市场发展巨大改变的可能性。

核能机构的这一预测结果与许多其他机构的预测结果类似。例如UxC公司2013年曾预计,小堆装机容量2040年在中值情景中将达到22 GWe;在低值情景中将为9 GWe。而英国国家核实验室(NNL)2014年公布的预测结果更高:2035年全球小堆市场规模达将65~85 GWe,仅中国和美国就达到15 GWe,前提是小堆相对于大堆具有经济竞争力。

小堆面临的商业化挑战

小堆具有经济竞争力的一个关键要素是能够实现工厂制造。显然,如果不能批量制造,小堆将不具经济竞争力。由于小堆采用了工厂组装模式,因此需要对现有核供应链进行重大改造,并要求工厂组装过程具有灵活性和可扩展性。

小堆初期设备制造慢,因此应将供应链设计成随着未来产品成熟以及市场信心增加而逐步加快制造速度的模式。舰船核动力堆供应链便是采用这种供应和组装战略的一个实例。成功实施这一方案需要满足许多前提条件。其中包括产品应实现高度标准化,这意味着供应商必须在标准化和客户专门需求之间寻求适当的平衡。此外,必须避免任何返工,因为这会干扰组装过程。应为正在开展的工作及时提供所有设备/部件/套件,因为任何延误将会影响整座电厂而不仅仅是一台机组的建设。

小堆工厂组装面临的一个重要挑战是核监管。虽然现有监管框架涉及小堆的所有安全特性,但仍存在需要加以解决的诸多问题。尤其是,现行的监管实践与工厂组装模式特别是自动组装过程不匹配。

监管机构必须改进其工作方法,以便在组装阶段就尽可能对机组进行测试,并最大限度地降低返工的可能性。

其他重要的监管问题包括需要对下述事项进行验证和核实:改进后的非能动安全系统和多模块部署方式、应急规划区的规模以及运营和安保所需的人员配备。这种验证和核实工作可基于现有程序采用类似于大堆的风险指引法开展。

但是,必须证明小堆能够满足各种安全要求。监管机构及相关的技术支持单位需要时间和资源来对小堆设计的技术方案和创新性进行评估。这一过程将导致小堆的审批出现延迟。在理想情况下,需要为小堆的成功部署制订一种新的审批方法,以便允许进行工厂制造和系列部署。这可能不仅需要在监管机构之间进行协调,还需要在制造商之间进行协调。

多个国家的监管机构必须与小堆供应商密切合作,以检验各种方法和可能性。在各种拟议的审批方案中,飞机和发动机的审批方案经常作为参考范例被提及。但是,不能将航空业的审批方案直接适用于核工业。尤其是,小堆的全面工厂组装使监管机构不能对所有组装步骤进行检查。需要为小堆制订创新的审批方案,即将小堆机组的通用审批或许可审批、选址以及“主设施”(即各独立的小堆机组组成的设施)的许可审批区分开来。

个案研究:美国

美国对核工业的复兴非常感兴趣,近年来尤其关注小堆的开发。根据美国国家环保局最新颁布的有关空气污染的严格法规,美国必须关闭燃煤电厂。美国目前将小堆视为燃煤电厂的潜在替代方案。

美国过去几年一直在积极推进小堆研发,多种小堆设计有可能在近期建设首堆,包括下述4家企业正在研发的小堆:巴布科克·威尔科克斯公司(B&W)、纽斯凯尔电力公司(NuScale Power)、西屋公司(Westinghouse)和霍尔台克公司(Holtec)。美国能源部已开始为推进巴威和纽斯凯尔小堆设计的商业化提供总额将达4.52亿美元的资金,以支持这两种小堆的设计开发和审批计划。

但是,由于在寻找电力公司客户方面迟迟未能取得进展,巴威决定从2014年第三季度开始削减其小堆研发投入。西屋2014年2月宣布,由于未能获得能源部的资助,决定缩减小堆研发计划的规模。

小堆被认为是未来美国可用于新建电力装机容量的候选方案,尤其是用于替代即将关闭的部分燃煤电厂。

美国约60 GWe的燃煤电厂是在1975年之前建设的,这些电厂的装机容量通常为50~300 MWe。虽然美国的电价已发生很大变化,但发电成本一直占电价的约60%,且未来10年预计仍将保持这一水平。

在低电价情景下,美国可能会建设约3.5 GWe的小堆装机容量。在高值发展情景中,美国到2035年可能会建成高达21 GWe的小堆装机容量。这相当于美国2035—2040年核电装机总容量的约3.5%。在低值发展情景中,美国仅会建成几座原型堆。

许可审批仍是小堆商业化部署过程中面临的一个重要挑战。美国目前对小堆采用的审批方法与先进轻水堆的类似。近期,将通过对小堆的豁免请求以及编制专门的设计评审标准等方式解决小堆的先进特性问题。未来将根据从首批小堆的审批工作中获得的经验反馈,编制专门针对小堆的法规。目前,小堆供应商应当证明其设计能够满足美国核管会(NRC)的适用要求,尤其是有关设备制造、安保和运行的要求。这将是小堆经济性及其未来能否在美国能源结构中占有一席之地的重要决定要素。

 

个案研究:俄罗斯

小堆的目标市场可分为两类。一类是传统市场,在这一市场中,小堆必须与其他能源竞争。另一类是利基市场,例如仅需要小规模发电机组的偏僻地区或与外界隔绝地区或岛屿,在这些地区使用其他非核能源发电的费用很高。

俄罗斯正基于KLT-40S设计建设一座浮动式核电厂。预计这座电厂将于2019年在俄东北部的楚科奇(Chukotka)地区投运。最新的估算表明。这座电厂的发电成本约为200美元/MWh。这主要是由于该电厂根据俄现有的法规要求配备了总计约250名工作人员。此外,该电厂的燃料费用很高,电厂驳船和海岸基础设施的维护也需要大量资金。

尽管浮动式核电厂的发电成本很高,但这种电厂被认为是为俄偏僻地区供电的适当解决方案,因为包括现有电网延伸在内的其他技术方案的费用也很高。这些地区典型的电力装机容量需求为50~100 MWe。估算结果表明,将现有电网延伸500~1000千米的费用高于在该地区建设一座小堆的费用。未来,俄可能建设多达7座浮动式核电厂,但具体数量将取决于首座电厂的经验反馈。

结论和建议

虽然目前仍未充分了解小堆的经济性,但小堆技术很有可能成为未来核电发展的一个方向。在核能机构预计的高值发展情景中,全球到2035年将建成高达21 GWe的小堆装机容量。小堆的未来市场前景将取决于原型堆和同类设计首堆能否成功部署。为了推进小堆的商业化进程,核能机构提出下述建议。

政府和核工业界应当共同努力加速推进原型堆的建设,以证明小堆的优势。准备发展核电的国家应当考虑支持有关小堆的国际合作和联合研发,并推进小堆在本国和国际审批框架的相关工作。

小堆供应商和潜在客户应当与监管机构密切合作,以便尽早解决与小堆开发相关的各种问题(包括验证创新的安全特性和相关技术方案)。对于将在其他国家部署的小堆,相关国家的核监管机构与非核监管机构(例如出口管控机构)均应涉及此过程。

小堆供应商和客户应当共同估算小堆电厂的经济性,并考虑小堆在新能源结构尤其是在可再生能源占有较大份额的能源结构中能够发挥的作用。

应当在考虑小堆经济性的估算结果以及供应链能力的前提下进行详细的小堆市场评估,并向决策者和公众公布评估结果。

 
 
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