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美能源部发布《将已关闭燃煤电厂改建为核电厂的益处与挑战》报告
时间:2022年11月29日 来源:中核智库 点击量:1476 分享:

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2022年9月13日,美能源部发布题为《将已关闭燃煤电厂改建为核电厂的益处与挑战》的报告。报告由阿贡国家实验室(ANL)、爱达荷国家实验室(INL)和橡树岭国家实验室(ORNL)在能源部核能办公室的资助下合作完成。报告指出,大部分燃煤电厂可用于建设核电厂,并可带来经济效益和环境效益。

1背景

美国是世界上第一核电大国,拥有92台在运核电机组,2021年核电发电量约占美国总发电量的20%,为美国提供了50%以上的清洁电力。在净零排放目标和大国竞争背景下,美国制定了振兴和壮大核能工业的国家战略,采取多项措施,积极推动核能发展。然而,适于建设核电厂的厂址是一种稀缺资源,是核电发展必需面对的一个重要问题。

美国燃煤发电量在2011年达到峰值后一直在持续下降。主要受两个因素影响,大量燃煤电厂已经或计划永久关闭。第一,美国“清洁空气法”和各州的环境法规对燃煤电厂的氮氧化合物和二氧化碳等排放提出了严格的限制,燃煤电厂不得不增加相应的减排设备,导致成本上升。其次,燃煤电厂面临来自天然气发电以及风能和太阳能等可再生能源电厂的激烈竞争。美国天然气发电具有相对较低的燃料成本和更高效的新型天然气涡轮机技术,可再生能源电厂可获得政府补贴,而燃煤发电厂则存在向电网调度电力时间长、发电效率低等问题。在各方面因素综合影响下,燃煤发电厂逐渐失去市场竞争力,加快了永久关闭的步伐。在此背景下,美能源部资助了该报告的研究工作,评估在燃煤电厂厂址建设核电厂的可行性。

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2主要内容和结论

2.1核电选址研究的评估模型

报告将人口密度、地质条件(地震、坡度、滑坡、断层线)、水文条件(湿地和开放水域、洪水、冷却水)和其他因素(公园、自然保护区等受保护区域以及机场、军事基地、化工厂等危险设施)等作为评估指标,并对指标进行数字化和综合处理,将得到的数值与核电厂选址相关的阈值相比较,来判断该厂址是否适用。指标的选取依据美国联邦法规第10篇的《反应堆厂址标准》、美国核管会颁布的《核电站适宜选址的通用标准》等;具体数据来源于美国地质调查局、联邦应急管理局、联邦航空管理局、美国人口调查局等官方机构及其他商业机构。

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2.2大部分燃煤电厂适于建设核电厂

报告对622座燃煤电厂进行了评估,认为半数以上可用于建设核电厂:在349座已关闭的燃煤电厂中,125座可建设先进反应堆、35座可建设大型轻水堆;在273座在运燃煤电厂中,190座可建设先进反应堆、96座可建设大型轻水堆。其中部分厂址既适于建设先进反应堆,又适于建设大型轻水堆。先进反应堆是指小型模块化反应堆和先进非轻水堆,包括钠冷快堆、超高温气冷堆;大型轻水堆是指百万千瓦级轻水堆。

2.3经济效益

在燃煤电厂建设核电厂,由于可以对厂区土地、输电线路、变电站、开关站、办公楼、运输道路等部分基础设施进行重复使用,核电厂的造价能够降低。报告指出,在已关闭的燃煤电厂建设核电厂,可将核电厂的隔夜造价降低约15%~35%。同时,在已关闭燃煤电厂建设核电厂,还可消减燃煤电厂关闭给当地经济带来的负面影响,为地区提供就业岗位、推动地区经济发展。在燃煤电厂建设了92.4万千瓦核电厂,能够为附近地区带来超过650个新工作岗位,使当地的经济活动产值增加约2.75亿美元。

2.4环境效益

报告指出,在燃煤电厂建设核电厂能够带来环境效益:可大幅降低空气污染物和碳排放,有利于改善地区环境。一座120万千瓦燃煤电厂关闭后,在原址建设一座92.4万千瓦核电厂,所在地区温室气体排放量将下降86%,相当于50多万辆汽油车一年的碳排放量。同时还解决了原有煤电厂带来的粉尘、废气等污染问题,大幅提高空气质量,避免了空气污染给工作人员和附近居民带来的健康问题,如哮喘、肺癌等疾病。

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2.5挑战

报告指出,原有厂址和基础设施的重复使用可为核电建设带来利好。然而,这些设施能否重复使用将面临挑战。核电厂运行条件(温度、压力等)与燃煤电厂不同,需对一些原有基础设施的可重复利用性进行评审。例如,需要对原有燃煤电厂的冷凝器、涡轮机、泵、除氧器等设施的使用寿命、工作条件和安全性进行评估,确定是否可重复使用。

3报告的现实意义和不足之处

3.1为核电选址提供新思路

核电厂址资源稀缺,该研究为核电选址提供了新思路。核电成本是影响核电建设和发展的关键问题,在燃煤电厂建设核电厂在为核电发展提供了可用厂址的同时,也有助于降低核电造价,缓解核电公司的投资压力,有利于核电发展。同时,还可消减燃煤电厂关闭给社会和经济带来的负面影响,保障可靠、安全的清洁能源供应,推动传统化石能源发电向低碳电力转型,为零碳经济和气候目标的实现提供助力。

3.2在核安全评估中存在不足

核电选址最重要的是安全问题。尽管美国家实验室在开展研究时考虑了安全问题,但其考虑的核安全要素并不全面。根据国际原子能机构(IAEA)的核电选址安全导则,报告中所选取的指标和评估并不充分。例如,气象条件和灾害、飓风、湿度、降水以及沙尘暴等对核电选址影响在该报告的研究中并未涉及。同时,厂址风向、气流是否通畅是影响废气稀释扩散的关键,也并未被该研究涉及。核电厂安全最重要的辐射防护问题也未得到充分评估。核电厂运行将产生乏燃料和放射性废物。乏燃料的贮存和运输、放射性废物的排放和转运等因素在选址过程中应得到充分考虑。此外,国际原子能机构认为核应急计划的可实施性也应纳入选址范畴,但该研究没有对此进行充分考虑。

4将燃煤电厂用于开展核电建设的最新进展

美国和罗马尼亚的一些机构和企业正在积极采取行动,利用已关闭的燃煤电厂建设核电厂,并已取得实质性进展。

4.1美2022年《芯片与科学法》

拜登总统2022年8月签署的2022年《芯片与科学法》包含了支持在化石燃料电厂建设先进反应堆的内容。该法授权未来5为能源部拨款8亿美元,用于制订和实施相关计划,资助合格实体推进先进反应堆技术研发和示范。先进反应堆包括裂变堆、聚变堆和利用放射性核素衰变热进行能源生产的系统。该法要求能源部优先支持在已关闭或即将关闭的化石燃料电厂建设先进反应堆的项目。

4.2美泰拉能源公司

美国泰拉能源公司(Terra Power)2021年底宣布将在怀俄明州凯默勒的一座已关闭燃煤电厂建设其首座“Natrium反应堆—储能系统”示范电厂,美能源部也表示将投资20亿美元支持该项目。怀俄明州是美煤炭生产量最大的州,并且该州80%的发电量源自燃煤电厂,但2005年后燃煤电厂关闭数量逐渐增加。该示范项目由一个34.5万千瓦小型钠冷快堆发电模块和一个熔盐储能模块组成。其中,创新的熔盐储能模块可将输出功率提升至50万千瓦。因此,该示范电厂具有功率调节功能,可进行调峰运行,实现削峰填谷。该核电厂计划于2024年开工。

4.3美马里兰州

美国马里兰州能源管理局2022年6月份宣布向X能源公司(X-energy)和富劳斯特堡州立大学提供资助,用于评估利用燃煤电厂基础设施建设小型高温气冷堆Xe-100的可行性。Xe-100是由X能源公司在美国能源部的资助下研发。Xe-100装机容量为8万千瓦,使用铀-235丰度为10%的三元结构各向同性(TRISO)燃料。该评估将关注在燃煤电厂建设Xe-100的经济可行性及其能够在更广泛领域带来的效益,包括降低碳排放、相关基础设施能得到继续使用、保留高薪工作岗位、为制造业和建筑业提供商业机会等。相关研究成果将于2022年底前提交。

4.4罗马尼亚国家核电公司

罗马尼亚国家核电公司(Nuclearlectrica)和诺瓦电力与天然气公司(Nova Power & Gas)2022年9月宣布组建合资企业RoPower核公司(RoPower Nuclear),将与美国纽斯凯尔电力公司(NuScale Power)合作在多伊切什蒂(Doicesti))燃煤电厂建设一座模块化小型压水堆电厂。该电厂将包括6座7.7万千瓦小堆,总装机容量为46.2万千瓦。该小堆是由纽斯凯尔在5万千瓦版基础上推出的7.7万千瓦版小堆。纽斯凯尔5万千瓦小堆已通过美国核管会的设计认证,并且是唯一通过核管会此类认证的小堆。

5小结

美92台在运核电机组集中分布于东部和中部,多数为内陆核电厂。报告评估的、可用于建设核电厂的燃煤电厂,多分布在中西部、东南和西南的内陆和沿海地区。核电厂址是稀缺资源,美开展在燃煤电厂建设核电厂的可行性研究,表明美国也正在寻求核电厂址不足的解决方案,满足核电产业发展的需要,促进净零排放目标的实现。值得一提的是,近期美和罗马尼亚等国的相关企业和机构已启动在燃煤电厂建设核电厂的相关工作。燃煤电厂已成为核电建设的新选择。


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