2022 年9 月13 日,美能源部發(fā)布題為《將已關(guān)閉燃煤電廠改建為核電廠的益處與挑戰(zhàn)》的報(bào)告。報(bào)告由阿貢國家實(shí)驗(yàn)室(ANL)、愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室(INL)和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)在能源部核能辦公室的資助下合作完成。報(bào)告指出,大部分燃煤電廠可用于建設(shè)核電廠,并可帶來經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。
美國是世界上第一核電大國,擁有92 臺(tái)在運(yùn)核電機(jī)組,2021 年核電發(fā)電量約占美國總發(fā)電量的20%,為美國提供了50%以上的清潔電力。在凈零排放目標(biāo)和大國競爭背景下,美國制定了振興和壯大核能工業(yè)的國家戰(zhàn)略,采取多項(xiàng)措施,積極推動(dòng)核能發(fā)展。然而,適于建設(shè)核電廠的廠址是一種稀缺資源,是核電發(fā)展必需面對的一個(gè)重要問題。
美國燃煤發(fā)電量在2011 年達(dá)到峰值后一直在持續(xù)下降。主要受兩個(gè)因素影響,大量燃煤電廠已經(jīng)或計(jì)劃永久關(guān)閉。第一,美國《清潔空氣法》和各州的環(huán)境法規(guī)對燃煤電廠的氮氧化合物和二氧化碳等排放提出了嚴(yán)格的限制,燃煤電廠不得不增加相應(yīng)的減排設(shè)備,導(dǎo)致成本上升。其次,燃煤電廠面臨來自天然氣電廠以及風(fēng)能和太陽能等可再生能源電廠的激烈競爭。美國天然氣電廠具有相對較低的燃料成本和更高效的新型天然氣渦輪機(jī)技術(shù),可再生能源電廠可獲得政府補(bǔ)貼,而燃煤電廠則存在向電網(wǎng)調(diào)度電力時(shí)間長、發(fā)電效率低等問題。在各方面因素綜合影響下,燃煤電廠逐漸失去市場競爭力,加快了永久關(guān)閉的步伐。在此背景下,美能源部資助了該報(bào)告的研究工作,評估在燃煤電廠建設(shè)核電廠的可行性。
報(bào)告將人口密度、地質(zhì)條件(地震、坡度、滑坡、斷層線)、水文條件(濕地和開放水域、洪水、冷卻水)和其他因素(公園、自然保護(hù)區(qū)等受保護(hù)區(qū)域以及機(jī)場、軍事基地、化工廠等危險(xiǎn)設(shè)施)等作為評估指標(biāo),并對指標(biāo)進(jìn)行數(shù)字化和綜合處理,將得到的數(shù)值與核電廠選址相關(guān)的閾值相比較,以判斷該廠址是否適用。指標(biāo)的選取依據(jù)是美國聯(lián)邦法規(guī)第10 篇的《反應(yīng)堆廠址標(biāo)準(zhǔn)》、美國核管會(huì)(NRC)頒布的《核電站適宜選址的通用標(biāo)準(zhǔn)》等;具體數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局、聯(lián)邦應(yīng)急管理局、聯(lián)邦航空管理局、美國人口調(diào)查局等官方機(jī)構(gòu)及其他商業(yè)機(jī)構(gòu)。
報(bào)告對622 座燃煤電廠進(jìn)行了評估,認(rèn)為半數(shù)以上可用于建設(shè)核電廠:在349 座已關(guān)閉的燃煤電廠中,125 座可建設(shè)先進(jìn)反應(yīng)堆、35 座可建設(shè)大型輕水堆;在273 座在運(yùn)燃煤電廠中,190 座可建設(shè)先進(jìn)反應(yīng)堆、96 座可建設(shè)大型輕水堆。其中部分廠址既適于建設(shè)先進(jìn)反應(yīng)堆,又適于建設(shè)大型輕水堆。先進(jìn)反應(yīng)堆是指小型模塊化反應(yīng)堆和先進(jìn)非輕水堆,包括鈉冷快堆、超高溫氣冷堆;大型輕水堆是指百萬千瓦級輕水堆。
在燃煤電廠建設(shè)核電廠,由于可以對廠區(qū)土地、輸電線路、變電站、開關(guān)站、辦公樓、運(yùn)輸?shù)缆返炔糠只A(chǔ)設(shè)施進(jìn)行重復(fù)使用,核電廠的造價(jià)能夠降低。報(bào)告指出,在已關(guān)閉的燃煤電廠建設(shè)核電廠,可將核電廠的隔夜造價(jià)降低約15%~35%。同時(shí),在已關(guān)閉燃煤電廠建設(shè)核電廠,還可消減燃煤電廠關(guān)閉給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)帶來的負(fù)面影響,為地區(qū)提供就業(yè)崗位、推動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在燃煤電廠建設(shè)了92.4 萬千瓦核電廠,能夠?yàn)楦浇貐^(qū)帶來超過650 個(gè)新工作崗位,使當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)活動(dòng)產(chǎn)值增加約2.75 億美元。
報(bào)告指出,在燃煤電廠建設(shè)核電廠能夠帶來環(huán)境效益:可大幅降低空氣污染物和碳排放,有利于改善地區(qū)環(huán)境。一座120 萬千瓦燃煤電廠關(guān)閉后,在原址建設(shè)一座92.4 萬千瓦核電廠,所在地區(qū)溫室氣體排放量將下降86%,相當(dāng)于50 多萬輛汽油車一年的碳排放量。同時(shí)還解決了原有煤電廠帶來的粉塵、廢氣等污染問題,大幅提高空氣質(zhì)量,避免了空氣污染給工作人員和附近居民帶來的健康問題,如哮喘、肺癌等疾病。
報(bào)告指出,原有廠址和基礎(chǔ)設(shè)施的重復(fù)使用可為核電建設(shè)帶來利好。然而,這些設(shè)施能否重復(fù)使用將面臨挑戰(zhàn)。核電廠運(yùn)行條件(溫度、壓力等)與燃煤電廠不同,需對一些原有基礎(chǔ)設(shè)施的可重復(fù)利用性進(jìn)行評審。例如,需要對原有燃煤電廠的冷凝器、渦輪機(jī)、泵、除氧器等設(shè)施的使用壽命、工作條件和安全性進(jìn)行評估,確定是否可重復(fù)使用。
核電廠址資源稀缺,該研究為核電選址提供了新思路。核電成本是影響核電建設(shè)和發(fā)展的關(guān)鍵問題。在燃煤電廠建設(shè)核電廠,在為核電發(fā)展提供了可用廠址的同時(shí),也有助于降低核電造價(jià),緩解核電公司的投資壓力,有利于核電發(fā)展。同時(shí),還可消減燃煤電廠關(guān)閉給社會(huì)和經(jīng)濟(jì)帶來的負(fù)面影響,保障可靠、安全的清潔能源供應(yīng),推動(dòng)傳統(tǒng)化石能源發(fā)電向低碳電力轉(zhuǎn)型,為零碳經(jīng)濟(jì)和氣候目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供助力。
核電選址最重要的是安全問題。盡管美國家實(shí)驗(yàn)室在開展研究時(shí)考慮了安全問題,但其考慮的核安全要素并不全面。根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)的核電選址安全導(dǎo)則,報(bào)告中所選取的指標(biāo)和評估并不充分。例如,氣象條件和災(zāi)害、颶風(fēng)、濕度、降水以及沙塵暴等對核電選址的影響在這項(xiàng)研究中并未涉及。同時(shí),廠址風(fēng)向、氣流是否通暢是影響廢氣稀釋擴(kuò)散的關(guān)鍵,也并未被該研究涉及。核電廠安全最重要的輻射防護(hù)問題也未得到充分評估。核電廠運(yùn)行將產(chǎn)生乏燃料和放射性廢物。乏燃料的貯存和運(yùn)輸、放射性廢物的排放和轉(zhuǎn)運(yùn)等因素在選址過程中應(yīng)得到充分考慮。此外,國際原子能機(jī)構(gòu)認(rèn)為核應(yīng)急計(jì)劃的可實(shí)施性也應(yīng)納入選址范疇,但該研究沒有對此進(jìn)行充分考慮。
美國和羅馬尼亞的一些機(jī)構(gòu)和企業(yè)正在積極采取行動(dòng),利用已關(guān)閉的燃煤電廠建設(shè)核電廠,并已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。
拜登總統(tǒng)2022 年8 月簽署的2022 年《芯片與科學(xué)法》包含了支持在化石燃料電廠建設(shè)先進(jìn)反應(yīng)堆的內(nèi)容。該法授權(quán)未來5 年為能源部撥款8 億美元,用于制訂和實(shí)施相關(guān)計(jì)劃,資助合格實(shí)體推進(jìn)先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)研發(fā)和示范。先進(jìn)反應(yīng)堆包括裂變堆、聚變堆和利用放射性核素衰變熱進(jìn)行能源生產(chǎn)的系統(tǒng)。該法要求能源部優(yōu)先支持在已關(guān)閉或即將關(guān)閉的化石燃料電廠建設(shè)先進(jìn)反應(yīng)堆的項(xiàng)目。
美國泰拉能源公司(TerraPower)2021 年底宣布將在懷俄明州凱默勒的一座已關(guān)閉燃煤電廠建設(shè)其首座“Natrium 反應(yīng)堆-儲(chǔ)能系統(tǒng)”示范電廠,美能源部也表示將投資支持該項(xiàng)目。懷俄明州是美煤炭生產(chǎn)量最大的州,并且該州80%的發(fā)電量源自燃煤電廠,但2005 年后燃煤電廠關(guān)閉數(shù)量逐漸增加。該示范項(xiàng)目由一個(gè)34.5 萬千瓦小型鈉冷快堆發(fā)電模塊和一個(gè)熔鹽儲(chǔ)能模塊組成。其中,創(chuàng)新的熔鹽儲(chǔ)能模塊可將輸出功率提升至50 萬千瓦。因此,該示范電廠具有功率調(diào)節(jié)功能,可調(diào)峰運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)削峰填谷。該核電廠計(jì)劃于2024 年開工。
美國馬里蘭州能源管理局2022 年6 月份宣布向X 能源公司(X-energy)和富勞斯特堡州立大學(xué)提供資助,用于評價(jià)利用燃煤電廠基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)小型高溫氣冷堆Xe-100 的可行性。Xe-100 是由X 能源公司在美國能源部的資助下研發(fā)。Xe-100裝機(jī)容量為8萬千瓦,使用鈾-235豐度為10%的三元結(jié)構(gòu)各向同性(TRISO)燃料。該評價(jià)將關(guān)注在燃煤電廠建設(shè)Xe-100 的經(jīng)濟(jì)可行性及其能夠在更廣泛領(lǐng)域帶來的效益,包括降低碳排放、相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施能得到繼續(xù)使用、保留高薪工作崗位、為制造業(yè)和建筑業(yè)提供商業(yè)機(jī)會(huì)等。相關(guān)研究成果將于2022年底前提交。
羅馬尼亞國家核電公司(Nuclearelectrica)和諾瓦電力與天然氣公司(Nova Power &Gas)2022 年9 月宣布組建合資企業(yè)RoPower 核公司(RoPower Nuclear),將與美國紐斯凱爾電力公司(NuScale Power)合作在多伊切什蒂(Doicesti)燃煤電廠建設(shè)一座模塊化小型壓水堆電廠。該電廠將包括6 座7.7 萬千瓦小堆,總裝機(jī)容量為46.2萬千瓦。該小堆是由紐斯凱爾在5萬千瓦版基礎(chǔ)上推出的7.7萬千瓦版小堆。紐斯凱爾5 萬千瓦小堆已通過美國核管會(huì)的設(shè)計(jì)認(rèn)證,并且是唯一通過核管會(huì)此類認(rèn)證的小堆。
美92 臺(tái)在運(yùn)核電機(jī)組集中分布于東部和中部,多數(shù)為內(nèi)陸核電廠。報(bào)告評估的、可用于建設(shè)核電廠的燃煤電廠,多分布在中西部、東南和西南的內(nèi)陸和沿海地區(qū)。核電廠址是稀缺資源,美開展在燃煤電廠建設(shè)核電廠的可行性研究,表明美國也正在尋求核電廠址不足的解決方案,滿足核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要,促進(jìn)凈零排放目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。值得一提的是,近期美和羅馬尼亞等國的相關(guān)企業(yè)和機(jī)構(gòu)已啟動(dòng)在燃煤電廠建設(shè)核電廠的相關(guān)工作。燃煤電廠已成為核電建設(shè)的新選擇。