來源:中國科協創新戰略研究院《創新研究報告》
第12期（總第278期）2019-03-22
編者按：2018年9月3日，麻省理工學院能源計劃（MIT Energy Initiative）發佈《核能在碳約束世界中的未來》（The Future of Nuclear Energy in a Carbon-Constrained World）報告。這是麻省理工學院繼2003年發佈《核電未來報告》後，第二次發佈的關於核能的研究報告。本次報告的研究主題聚焦於二氧化碳封存、天然氣、電網和太陽能的作用，並綜合考慮了技術安全性、減排的緊迫性、成本控制和公眾認知等方面的因素，旨在為參與核能發展的部門和其他利益相關者提供一個平衡、客觀和可行的指導方案。報告重點分析了當前全球核能產能停滯的原因，並討論了可採取的措施以扭轉停滯趨勢。結果表明，新的政策模式和削減成本的技術可以幫助核能在氣候解決方案中發揮至關重要的作用。本文就其主要內容進行摘編。
核能是一種低排放、高效率的清潔能源，安全、高效的開發和利用核能不僅有利於應對全球氣候變化問題，還能夠解決日益嚴峻的能源需求挑戰，保障能源安全。然而，近年來眾多國家對核能的投資減弱，全球核能發展處於停滯狀態。本報告認為，除非核能被有意義地融入全球低碳能源技術的組合中，否則應對氣候變化的挑戰將更加困難和昂貴。因此，應強調製定相關政策和措施以刺激更多的投資，加大核能的發展力度，以充分發揮核能促進低碳社會構建的潛能。
一、成本高昂導致全球核能發展停滯不前
在碳排放不是主要限制因素時，化石燃料通常以其低發電成本作為首選方案。在適度的碳排放限制下，可再生能源發電是成本較低的替代方案。近幾十年來，其他發電技術成本持續降低，而新建核電站的成本卻居高不下，導致許多發達國家核能投資停滯不前。目前，核能僅佔全球一次能源的5%。
二、將核能納入低碳發電組合有利於降低脫碳成本
電力部門的深度脫碳是全球能源低碳轉型的重點發展領域，雖然可採用多種低碳能源技術組合來實現低碳或零碳發電，但研究顯示將核能納入低碳發電技術組合的成本更低，且總成本隨核能成本下降而降低（圖1）。因此，加入核電的替代方案是進一步推動深度脫碳目標實現的關鍵。
圖1 美國新英格蘭地區和中國天津-北京-唐山（TBT）地區的平均發電成本（左）和核裝機容量（右）比較
圖注：美國新英格蘭地區和中國天津-北京-唐山（TBT）不同碳限制區域（gCO2/kWhe）和2050年各種可用技術的三種情景：（a）不允許核電；（b）允許以名義隔夜拆借成本（nominal overnight capital cost）獲得核電（新英格蘭每千瓦時5500美元，以及T-B-T地區每千瓦時2800美元）；（c）允許以修正隔夜拆借成本（improved overnight capital cost）獲得核電（新英格蘭地區為每千瓦時4100美元，T-B-T地區每千瓦時2100美元）。
三、降低核電站建設成本的主要措施建議
1. 重視利用經過驗證核電項目的施工管理經驗
美國和歐洲的核電基礎設施項目經驗表明，由於缺乏項目管理和經驗，導致很多項目建設無法在預定的時間和預算範圍內完成交付。因此，為提高新核電廠的執行和交付成功率，需採取如下措施：一是施工前要先整理出詳細的項目設計方案；二是使用經過驗證的供應鏈和熟練技工；三是在設計過程的早期階段將製造商和建造商納入設計團隊，以確保工廠系統、結構和部件的設計符合相關標準；四是任命一名在管理多個獨立分包商方面具有成熟專業知識的主要項目經理；五是合同結構能夠確保所有承包商對項目擁有既得利益；六是創造靈活的監管環境以便及時應對設計和施工中可能出現的意外變化。
2. 從高度依賴場地的複雜現場建設轉向標準化工廠製造
設定標準化的核電站建造流程可大幅降低建設成本和縮短建設時間。美國和歐洲的核電廠建設效率一直很低，應擴大在工廠的生產，利用製造業的更高生產率以製造複雜的系統、結構和組件。使用一系列交叉技術，包括模塊化工廠預製和現場模塊化組裝建設、先進的混凝土解決方案（如鋼板複合材料、高強度鋼筋、超高性能混凝土等）、地震隔離技術和先進的電廠佈局技術等。對於不太複雜的系統、結構和部件或是建設效率較高的地方（如亞洲），則可選擇傳統方法。應將以上建議用於所有反應堆概念和設計中，包括第三代輕水堆、小型模塊化反應堆（SMR）和第四代反應堆等1，通過設計標準化和建築方法的創新，使核電在成本上具備與其他發電技術相當的價格競爭力。
四、針對核能安全和應用問題的措施建議
1. 增加反應堆安全功能設計
開發具有高化學和物理穩定性、高熱容、負反應性反饋和高裂變產物保留率的核材料，以及非能動安全系統。一些第三代輕水堆已經採用了此類設計，並已用於中國、俄羅斯和美國的新建核電站中。被動安全設計可以降低發生嚴重事故的概率，並在發生事故時減輕場外後果。此類設計使新核電站更易獲得許可，並加速其在發達國家和發展中國家的部署。基於輕水反應堆的小型模塊化反應堆（如美國NuScale核電公司的小型模塊化反應堆）和成熟的第四代反應堆（如高溫氣冷堆、鈉冷快堆）等先進反應堆也具有這些特徵，可用於商業部署。此外，對美國和國際監管環境的評估表明，目前的監管體系足夠靈活，可以接受這些先進反應堆設計，對現行監管框架的修改可提高許可審查的效率和效力。
2. 創造公平的競爭環境
使所有低碳發電技術能夠憑藉其自身優勢進行良性競爭。取消核能的政策阻礙了對核技術的投資，這可能會增加脫碳成本並減緩氣候目標實現的進程。將二氧化碳排放成本計入電價可以更公平地認識到所有氣候友好型能源技術的價值，現有和新建的核電站都將從中受益。
3. 建立反應堆試點
通過試點進行針對監管許可的測試和運營。這些試點應支持企業進行新型反應堆原型測試，政府應提供適當的監督和支持，包括安全協議、基礎設施、環境審批和燃料循環服務，並直接參與所有測試。
4. 重新部署電力行業技術
現有的核電是低成本電力的供應商，過早關閉現有工廠會增加實現減排目標的成本。核電收入不足是因其低碳屬性未獲得市場的充分認可，建議促進低碳發電的公共政策應比較對待所有技術。政府不應歧視核能。對核能作為低碳能源的歧視植根於公眾對核的態度。建議重新部署電力行業技術，確保市場設計的變化與先進核系統的部署一致。
5. 開展核能資助計劃
各國政府應從四個方面圍繞先進反應堆設計、原型堆測試和商業部署建立資助計劃：一是分擔監管許可費用的資金；二是分擔研發費用的資金；三是為實現具體技術的突破性進展提供資金；四是為核電企業提供專有的信貸資金以獎勵企業在核電技術方面的創新。
6. 加速開發不成熟反應堆的新範式
對高級反應堆技術的評估主要考慮反應堆的安全性、可操作性和可維護性，以及由不同反應器技術的特定功能實現的潛在應用範圍。建議採用更具創新性的部署方法來推進不太成熟的先進反應堆設計。一是通過全面設計以降低大規模運行的風險；二是設計保守的熱機械餘量；三是根據美國核管理委員會（NRC）制定的原型規則獲得許可認證；四是將反應堆安置在偏遠地點作為額外預防措施，降低設計上的一些安全限制並允許進行整體測試（圖2）。
圖2 先進反應堆開發計劃——基於不成熟技術的開發經驗
五、核反應堆安全規則和許可建議
1. 推動先進反應堆監管標準國際化
由於核電廠運行可能帶來的深遠環境和社會影響，核安全的某些基本標準理應達成國際共識。現有的監管機構採用了類似於國際原子能機構（IAEA）政策和美國NRC法規中所述的基本原則，在已建立核電計劃的國家中，評估核反應堆安全的基本依據相當一致。建議進一步推動先進反應堆監管標準國際化，進而實現商業反應堆設計的國際部署，並在全球範圍內實現標準化並保障核能安全。
2. 建立完善反應堆許可證流程
美國現有較多方法策略用於新反應堆（包括先進反應堆）認證，建議繼續向新反應堆推廣基於性能和風險的設計標準。同時，在未來幾年內測試其先進的反應堆許可證流程，完善認證流程並培訓NRC工作人員（圖3）。
圖3 美國新商業核能計劃兩種認證過程
此外，美國NRC應澄清其原型規則和認證方法，以提高原型反應堆的認證效率。核電廠設計和建造中使用的共識代碼應根據其確保安全的有效性進行重新評估。美國政府應為先進反應堆監管提供額外資金。與此同時，核能工業必須與包括NRC、DOE和國會在內的相關部門溝通監管職能和研究需求，以確保政府撥出足夠的資金。
六、總結
本研究首先闡述了未來幾十年核能的核心機遇與其對電力部門脫碳的潛在貢獻有關，而實現這一貢獻的主要挑戰是新核能的高成本。當前有一些方法可以降低核能的成本，這個行業必須積極而迅速地採納實施。最後呼籲政府應精心設計有助於能源和環境發展的政策，並在新核能系統部署的早期階段提供適當援助，以實現核能的全部潛力。
注1：反應堆設計通常分為四代。20世紀50年代末和60年代建造的第一批商用核反應堆被歸類為第一代系統。第二代系統包括1970—1990年建造的商用反應堆。第三代反應堆系統是第二代系統的改進。第四代系統是一組使用非水冷卻劑的先進反應堆設計，目前正在開發中。
文章來源：http://energy.mit.edu/research/future-nuclear-energy-carbon-constrained-world/
編譯：羅彧 鞏玥 曹學偉
編輯部成員：張麗琴 王國強 劉 薇 王 達 曹學偉
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