據(jù)美國能源信息署的統(tǒng)計數(shù)據(jù),核能每年大約為美國提供20%的發(fā)電量,是美國能源體系的重要組成部分。近年來,雖然美國“核電艦隊”放慢了擴張速度(新建核反應(yīng)堆項目僅有2個),但其重要地位并沒有發(fā)生改變。 美國能源部十分重視核能領(lǐng)域的科技研發(fā),投入了大量資金,并出臺了一系列激勵措施,鼓勵私人企業(yè)和科研機構(gòu)、政府聯(lián)手拓展核能潛力。其中,核聚變、小型模塊核反應(yīng)堆是美國能源部關(guān)注的重點。
美國核電工業(yè)概況
美國核能發(fā)電始于1958年的賓夕法尼亞州,最古老的反應(yīng)堆于1969年12月開始商業(yè)運行。截至2019年10月31日,美國共有58個商業(yè)運營的核電站(96個核反應(yīng)堆)分布在國內(nèi)29個州,它們的平均年齡約為38歲。
在美國所有核電站中,其中32個擁有2個核反應(yīng)堆;3個核電站擁有3個核反應(yīng)堆;位于紐約的印第安角能源中心有兩個核反應(yīng)堆,美國能源信息署將其算作兩個獨立的核電站。亞利桑那州的帕洛威爾德核電站是美國最大的核電站,擁有3個反應(yīng)堆,夏季凈發(fā)電裝機容量為3937兆瓦。紐約的R·E·Ginna核電站是最小的核電站,有一個反應(yīng)堆,夏季凈發(fā)電裝機容量為582兆瓦。
美國最新投入使用的核反應(yīng)堆為巴茨2號機組,夏季凈發(fā)電裝機容量為1122兆瓦,于2016年10月開始商業(yè)運行。目前有兩個核反應(yīng)堆在建設(shè)之中:喬治亞州的沃格特爾3號、4號機組。
美國新反應(yīng)堆上線時間
盡管2013年以來美國關(guān)閉了7個核反應(yīng)堆,但截至2018年底美國核能總發(fā)電量與2003年擁有104個反應(yīng)堆時的發(fā)電量大致持平。為了提高核電站的發(fā)電能力,電站加大了改造力度。這些升級改造加上高容量利用率,使得美國的核電站自1990年以來一直保持著20%發(fā)電量的穩(wěn)定份額。一些反應(yīng)堆還通過縮短離線換料時間,從而增加了年發(fā)電量。
喬治亞州沃格特爾3號、4號核電機組預(yù)計將于2021年和2022年投入使用。截至2018年4月,核管理委員會(NRC)共收到約18份新核反應(yīng)堆開發(fā)申請,目前處于不同的審查階段。根據(jù)目前的許可條例,一家尋求建設(shè)新反應(yīng)堆的公司可以使用核管理委員會先前批準(zhǔn)的反應(yīng)堆設(shè)計,NRC頒發(fā)的設(shè)計認(rèn)證獨立于建造或運行新核電站的申請批準(zhǔn)。當(dāng)申請人使用NRC認(rèn)證的反應(yīng)堆設(shè)計時,這意味著與設(shè)計相關(guān)的所有安全問題都已得到解決,NRC審查的重點是施工質(zhì)量,建造核電站可能需要5年或更長的時間。
美國能源信息署在《2019年年度能源展望》的參考案例中預(yù)測,2021年新上線的反應(yīng)堆將增加核能發(fā)電能力,但部分反應(yīng)堆退役、降額將導(dǎo)致核能發(fā)電總量在2050年之前的每一年,均低于2018年。
鈾燃料生產(chǎn)情況
鈾是核電站用于核裂變最廣泛使用的燃料,這是一種在世界各地巖石中常見的金屬,與其他元素結(jié)合在一起。在美國西部、澳大利亞、加拿大、中亞、非洲和南美都有經(jīng)濟(jì)上可開采的鈾礦床。
2018年,美國核反應(yīng)堆的所有者和運營商購買了大約4000萬磅的鈾,美國本地供應(yīng)商提供了大約10%,剩余90%均進(jìn)口于其他國家,其中:24%來自于加拿大,20%來自哈薩克斯坦,18%來自澳大利亞,13%來自俄羅斯,6%來自烏茲別克斯坦,5%來自納米比亞,3%來自中國、尼日爾和南非等國。
根據(jù)美國能源信息署2019年5月發(fā)布的報告,美國2018年鈾生產(chǎn)是近70年來的最低水平,大約為147萬磅,是1950年以來的最低數(shù),也是連續(xù)第四年下降。在1980年,美國生產(chǎn)了4370萬磅的鈾 (達(dá)到歷史上峰值),之后就一直處于下降水平。
這不僅使得美國不得不依靠進(jìn)口來滿足鈾需求,也讓國內(nèi)鈾市場就業(yè)人數(shù)不斷減少,達(dá)到2003年以來最低水平。2004~2008年,隨著鈾價格的上漲,行業(yè)就業(yè)人數(shù)逐年增加,2008年達(dá)到峰值;2012~2018年,行業(yè)就業(yè)率每年都在下降,勘探就業(yè)人數(shù)出現(xiàn)了2008年以來的最大降幅。
科技創(chuàng)新驅(qū)動行業(yè)重振
近年來,美國核管會收到不少最新反應(yīng)堆設(shè)計。其中比較典型的包括,Nuscale電力有限責(zé)任公司設(shè)計的集成壓水反應(yīng)堆,由12個小型模塊化反應(yīng)堆 (SMR)組成。與傳統(tǒng)型反應(yīng)堆外殼相比較 (高200英尺,寬120英尺),Nuscale新型反應(yīng)堆及安全殼聯(lián)合系統(tǒng)尺寸。ǜ76英尺,寬15英尺),更靈活。此外,國外公司也想積極打入美國核電市場,韓國電力公司、日本三菱重工有限公司、法國阿,m核電設(shè)計公司都紛紛向美國核管會提交了新型設(shè)計反應(yīng)堆。
為了進(jìn)一步激發(fā)企業(yè)活力,美國能源部和核管會出臺了一系列倡議及草案,鼓勵發(fā)展先進(jìn)反應(yīng)堆。2013年7月,《先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)授權(quán)基本框架聯(lián)合倡議》解決了新建核反應(yīng)堆的通用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等問題。2015年,美國核管會與能源部共同主辦了一系列先進(jìn)核反應(yīng)堆設(shè)計坊,次年4月,核管會發(fā)布了《先進(jìn)非輕水堆設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)草案》。2016年,美國能源部發(fā)布了 《先進(jìn)堆開發(fā)與部署愿景和戰(zhàn)略》草案,表達(dá)了能源部加速部署先進(jìn)堆的愿景,倡導(dǎo)模塊式小堆及不依靠水冷卻的先進(jìn)堆。
美國核工業(yè)人士認(rèn)為,境內(nèi)的核電站正在經(jīng)受廉價天然氣、高補貼可再生能源和低電力需求的挑戰(zhàn)。未來政府需要為核能打造公平的競爭環(huán)境,加快監(jiān)管審查程序,才能保證美國核能技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)力。