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国际原子能机构发布报告《国际核电状况与前景》

中国核网 | 中国核领域第一门户网站 2021/11/22 23:44
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来源:中核智库

新知达人, 国际原子能机构发布报告《国际核电状况与前景》

2021年7月,国际原子能机构(IAEA)发布了最新版《国际核电状况与前景》报告,强调了核电在缓解气候变化和实现可持续发展方面的作用,概述了核电现状与发展前景,重点介绍了影响核电未来部署的十个因素。《国际核电状况与前景》自2008年开始每两年发布一次,从2017年开始,改为每四年发布一次。

根据最新版《国际核电状况与前景》,在过去十年间,核电装机容量呈现逐步增长趋势,通过新建反应堆或对现有反应堆升级改造而增加的新容量约23.7吉瓦(电)。截至2020年底,全球在运核动力堆有442座,总装机容量为392.7吉瓦(电),其中约有89.5%是轻水慢化冷却堆,6%是重水慢化冷却堆,2%是轻水冷却石墨慢化堆,剩余2%是气冷堆。共有27个国家表示对核电感兴趣,正在考虑、计划或积极努力将核电纳入其能源结构。

根据IAEA到2050年的高值预测,假定30年内现有核电机组广泛长期运行,且新建核电达到500吉瓦(电),核电装机容量将增加到715吉瓦(电)。在低值估计中,到2050年,全球核电容量将减少7%,降至363吉瓦(电),占全球发电量的6%。然而,即使是低值估计,假设大约三分之一的现有核动力堆将在2030年前退役,而新反应堆将增加近80吉瓦(电)的容量,预计也会有大量的新核电厂建设。预计在2030年至2050年期间,新反应堆的新增容量将几乎与退役反应堆容量相当。下文简要介绍影响未来核电发展的十个因素。

一、资金与融资

开发新核电厂需要大量资金,虽然与利息相关的负债在核电厂寿期内会由发电产生的收入,但高度资本密集型项目还受到利率变化、建设工期以及其他一些不确定因素影响。现已开发各种潜在的融资模式来解决其中一些不确定性。减轻核电厂寿期早期阶段的风险,可以通过多种方式实现,例如,东道国政府向贷款人提供直接的主权担保,或者核蒸汽供应系统供应商同意在项目中获得股权。阿拉伯联合酋长国的巴拉卡项目就采取了后一种方式,韩国电力公司持有纳瓦能源公司和巴拉卡一公司18%的股权,而在芬兰的汉希克维核电厂项目中,俄罗斯联邦国家原子能公司获得了34%的股权。对于最近在孟加拉国、白俄罗斯、埃及、匈牙利、伊朗和巴基斯坦等启动核电和扩大核电国家的新建项目,供应商国和东道国政府选择签订政府间协定以及提供政府贷款。

与大型反应堆相比,小型模块堆可能具有一些优势,例如建设时间更短,前期资本费用更低,适用于较小的电网,以及可进行模块扩展以逐步满足需求。这些优势可能导致对目前用于大型核电厂的财务模式的重新审视。小型模块堆在未来十年左右的成功示范可以鼓励更多扩大核电和启动核电国家考虑小型模块堆。私人投资者对小型模块堆技术的开发、示范和部署越来越感兴趣。

另一项重要的责任涉及设施运行寿期结束时产生的费用,例如与设施退役和高放废物长期管理有关的费用。与“前期”费用情况一样,也必须从运营收入中提取准备金,以解决这些“后端”费用。后者可能占核电平准化成本的10%。管理核能使用的立法通常规定了在核电厂运行寿期的盈利阶段预留支付后端费用的资金的要求。可采取多种不同方案,从要求业主在公司账簿中留出适当的准备金,到要求将相关资金转移给一个独立的组织,由该组织负责这些资金管理和最终付款,以支付后端负债。

二、电力市场与政策

自2017年以来,全球电力市场的主要发展包括:风能、太阳能光伏发电等大量可再生能源持续部署成本不断下降;由于各行业电气化程度的提高,电力需求从经合组织国家转移到非经合组织国家;政策导致碳定价大幅提高;以及排放交易计划发生改变。此外,由于许多成员国承诺在本世纪中叶实现净零排放,煤炭资产已成为一种负债,而金融机构也在逐步放弃对煤炭的投资。核能发电持续增长。

政府间气候变化问题小组在2018年发布的《全球变暖1.5ºC特别报告》和国际能源机构最近推出的《全球能源行业2050年净零排放路线图》均显示,大多数实现净零排放的轨迹包括核电,在未来三十年内,核能发电量将翻倍。原子能机构对2050年的预测表明,要实现《巴黎协定》的目标,到2050年至少需要将目前的核电容量增加一倍,这与国际能源机构的预测相一致。核电的一个明显潜力在于它有能力帮助“难以脱碳”部门脱碳。由现有反应堆和先进反应堆生产的低碳热能或氢可能成为各国成功实现净零目标的关键。此外,核电在供应安全、可靠性和可预测性方面也具有明显优势。

三、复原力

2021年2月,北美冬季风暴,加上各种因素共同作用造成的大停电,表明了拥有弹性能源系统的重要性。据预测,由于全球变暖,发生极端天气事件的频率会增加,强度也会越来越大。这些事件可能包括冬季风暴、强烈洪水或热浪和干旱等,都会影响发电资产和电网基础设施。虽然在过去的几十年中核部门报告的天气相关停电事件越来越多,但由于核电厂的设计可以在极端天气条件下安全有效地运行,这些停电造成的发电损失相对有限。

在新冠疫情期间,成员国迅速采取行动,最大限度地降低疫情蔓延的风险,从而确保工作人员的安全和福祉,同时保持核电厂的业务连续性和适当的安全、安保和可持续性水平。没有成员国报告称因新冠疫情对其职工队伍或供应链等基本服务的影响而导致任何核动力堆被迫关闭。有些核电厂通过取消非关键工作以尽量减少外部人员进厂,缩小了停堆范围。还有一些核电厂延长了停堆时间,以便能够以适应身体距离限制的慢节奏开展工作。还有一些核电厂将整个停堆工作都推迟到下一年。

四、先进反应堆和非电力应用

小型模块堆预计通过高度模块化实现技术竞争力,以降低建设成本和缩短建设工期,以及实现“批量生产的经济性”。目前有72种不同技术准备程度的小型模块堆设计,其中至少有25种计划在2030年前进行示范。如果全球部署环境(包括燃料循环)完全启用,那么小型模块堆的贡献将增加约1.6吉瓦(电)。然而,小型模块堆技术仍然需要克服部署问题并达到商业竞争力,为此必须满足几个条件:展示具有新颖设计和技术的首创反应堆的安全和运行实绩;订单的连续性、相对于可替代方案的成本竞争力、强健的供应链、大规模可用的燃料循环以及可行的融资计划;以及必须通过协调建立监管框架(许可证审批路径)。

第一座小型模块堆已部署在俄罗斯联邦的一个海上浮动动力装置中,并从2020年5月开始商业运行,发电容量为70兆瓦(电)。关于陆基小型模块堆,第一座模块高温气冷堆目前即将完成热试,即将于2021年底在中国并网发电。另一个例子是阿根廷的一体化压水堆式小型模块堆已处于建设后期阶段(75%),目标是在2024年启动和实现临界,预期容量为30兆瓦(电)。

微型反应堆是另一种新兴技术,其功率范围在1兆瓦(电)到20兆瓦(电)之间,可以为工业偏远地区或离网地区供电,提供电力弹性,作为柴油的替代品,并部署在甚至“正常”小型模块堆都不适合的市场。

目前已有五座快堆在运行:俄罗斯的两座在运快堆(BN-600和BN-800)和一座试验堆(BOR-60)、印度的快中子增殖试验堆和中国实验快堆。2021年6月,俄罗斯联邦开始建造BREST-OD-300快堆,这将是第一座铅冷民用核能反应堆。如果成功,它将成为进一步发展核能的重要一步,通过燃料再循环和减少废物足迹,提供更大的可持续性。其他国家也在这一领域取得进展。例如,中国正在建设两台大型示范快堆机组,并计划最终部署商业快堆。印度正在完成其钠冷原型快中子增殖堆的调试,这是该国正在计划的几座工业快堆的第一座。泰拉电力公司已宣布在怀俄明州一个即将退役的煤电厂原址上建造其第一座下一代核反应堆“Natrium”。日本正在其“核能x创新促进”计划中开展可行性研究,作为其《快堆发展战略路线图》的第一阶段。

在福岛核事故之后,继续在安全、建造技术和经济方面进行水冷堆技术的创新。当今先进水冷堆设计中的安全系统具有不依赖电力的非能动特性,并包括更大的水库存,以便在非计划工况(例如全厂持续断电)情况下能有数天而不是几小时的处理时间。先进水冷堆的其他优势包括:废物产生量更少、燃料利用率更高、可靠性更大、具有防扩散性以及能够与电力应用和非电力应用相结合。在提高热效率和经济性方面,作为先进压水堆和沸水堆设计的合理延伸,一些成员国正在开发的超临界水冷堆概念突出了这种设计在经济性、安全性和技术方面的有利特性。

热电部门脱碳的需要导致人们越来越关注核能的使用,不仅用于发电,而且还用于其他能源密集型的非电力应用,例如海水淡化、地区供热、工业工艺热和燃料合成(包括制氢)。例如,2020年底,中国山东海阳核电厂开始为周边地区提供地区供热,预计每年可避免使用2.32万吨煤,减少6万吨二氧化碳排放。包括中国、法国、日本、波兰、俄罗斯联邦、英国和美国在内的许多国家越来越关注利用核能制氢,核能制氢的实际实施将取决于以价格、竞争者、总需求和消费地理分布为表现的市场条件。

核能和可再生能源是低碳发电的两个主要选择。核能-可再生能源复合能源系统在向电网提供可靠、可持续和负担得起的电力以及向其他部门提供低碳能源方面,充分利用了每种技术及其运行模式的优势。在这种核能资源与可再生能源资源的整合中,可以生产并酌情储存热能、电能和其他能源产品或服务。除了电力之外,核能-可再生能源复合能源系统可以为各种应用提供能源,例如氢和碳氢化合物生产、地区供热或冷却、三次采油、海水或微咸水淡化,以及包括热电联产、煤制油生产和提炼以及化学原料合成在内的工艺热应用。然而,为了实现全面可运行的紧密耦合的核能-可再生能源复合能源系统,需要解决和消除一些现有的差距,包括核能-可再生能源复合能源系统达到至少与目前单独的核电厂相当的必要安全水平;运行和维护这些系统的人力资本发展;核能-可再生能源复合能源系统与电力市场和电网监管的互动;以及核能-可再生能源复合能源系统的技术准备程度,这在很大程度上取决于每个子系统的技术准备程度以及耦合和运行方案。

在过去几年中,核聚变技术取得了重大进展,使私营部门的参与更加广泛,并创造了新的就业机会。国际热核实验堆正在稳步推进,是朝着利用聚变能的目标迈出的关键一步。

五、燃料可持续性和创新燃料循环

根据新建核电厂的数量和现有核电厂的延寿,预计到2040年,世界铀的年需求量在56 640吨铀至100 225吨铀之间。因此,在IAEA低值情景中,当前全球铀供应需要与2019年的数值保持一致。相反,在IAEA高值情景中,铀的年产量需要增加约41 000吨铀。这将需要大量的勘探活动、创新和开发新的铀矿。自2009年以来,在运铀矿的初级产量平均占全球需求的87%。缺口一直由二次供应弥补,自2010年以来,二次供应一直在慢慢耗尽。许多主要铀矿资源预计在21世纪30年代中期枯竭。考虑到建造和投产一座新矿山平均需要15年至20年,业界对中长期的供应安全表示担忧。

先进技术燃料作为替代燃料系统技术正在开发中,以进一步提高商业核电厂在当前和未来反应堆设计中的安全性、竞争力和经济性。欧洲、俄罗斯和美国开发的先进技术燃料包括用于燃料和包壳的新材料,有时需要更高浓度的铀-235,以补偿其包壳材料中子透明度的损失。因此,正在生产、开发和测试浓度高于5%但低于20%的高丰度低浓铀燃料。为了提高经济效益,还在提高卸料燃耗并延长核电厂的燃料运行周期,这也需要更高浓度的铀-235。

由于小型模块堆有多种类型,因此正在开发具有不同的设计、几何形状和富集度等特性的传统和新型燃料。对于某些类型的小型模块堆,燃料的设计和制造基于已知技术,但燃料需要的铀-235浓度可能处于低浓铀定义范围中铀-235浓度的最高值(铀-235 浓度高于5%但低于20%的高丰度低浓铀燃料)。

核燃料闭合循环是确保核电可持续性的主要动力。可以从乏核燃料中回收易裂变材料,以生产新燃料。对氧化铀燃料后处理并循环利用铀和钚,是当今轻水堆的一种工业实践,尽管目前很少有轻水堆获得使用循环燃料的许可。在REMIX、CORAIL和MIX燃料中多次循环利用钚的工作正在取得进展。

六、放射性废物处置

在世界各地几十年的经验和发展基础上,各国正在利用经验证的成熟技术,在放射性废物管理的所有步骤中实施有效、安全、可靠以及防扩散(在涉及核材料时)的解决方案。过去十年中,一些国家在处置高放废物方面取得了重大进展:有的即将正式提出处置场建议(加拿大和瑞士),有的正在制定深层地质处置设施建设和商用方案(法国和瑞典),还有的正在为在建设施中安置乏燃料办理许可证申请(芬兰)。

成员国的经验表明,制定和实施废物管理解决方案及其相关处置终点是可行的。然而,在许多情况下,源于过去国家实践和历史遗留问题的挑战依然存在。废物清单不完整和废物表征含糊不清,会妨碍进一步的有效处理,限制对适当处置方案的选择。过去对资源估计的不足阻碍了能力和设施的必要发展,而过去的处置实践加深了人们认为放射性废物管理“无法完成”的普遍看法。这导致了人们对废物处置的负面看法,使决策者在承担这一责任和提供合理实施解决方案的明确国家框架方面犹豫不决。

七、退役

虽然在过去的几十年里推迟拆除是设施所有者采取的主要退役策略,但立即拆除的方案已越来越受到青睐。鉴于退役涉及将冗余设施改造为非能动安全状态,能否进行项目实施在很大程度上取决于是否有足够的财政资源和长期管理乏燃料和放射性废物的适当制度。尽管目前还没有最终处置乏燃料的设施投入使用,但乏燃料可以安全地贮存在贮存池或干法贮存设施中。

来自退役的很大一部分废弃材料的放射性水平可以忽略不计,因此在许多情况下可以解除监管控制,并重新用于其他目的。这种作法在一些国家效果很好,但并非在所有国家都有效。后一种情况包括公众不接受重新使用来自核设施的材料,无论其放射性水平如何,都可能阻止这种材料的重新使用或回收。

八、人力资源开发

获得和留住技能型人才,以确保在核设施寿期的所有阶段都有一支称职的职工队伍,是核能界的首要任务之一。在不断变化的全球格局中,核领域的人才吸引和保留受到技术创新、流动性增加和人口结构变化的进一步挑战。同时,数字学习和混合学习等创新技术方案正付诸实践,以使运行核电国家和启动核电国家的新一代核职工队伍更容易获得核培训、教育和能力建设。

九、许可证审批/监管框架/方案

各国政府在为核电计划制定适当的政策、计划和法律框架方面的作用,有助于为安全、可靠和可持续地引进或扩大核能创造有利的环境。所有低碳能源都需要具体的政策来支持其部署。政策应体现在国家法律、制度和监管体系中,以确保拥有稳定和可预测的环境,并最大限度地扩大其影响。核电厂许可证审批需要对其设计和技术特性进行广泛的安全、安保和保障评价。各国可以利用IAEA安全标准和安保导则支持其国家监管框架的发展。评价小型模块堆等先进技术的现有监管导则和流程相对滞后,在某些情况下尚不可用。

十、公众认识

公众对与核电相关的利益和风险的认识,特别是对辐射风险、废物管理、安全和扩散的关切,仍然是最影响公众接受的几个方面。与利益相关者建立牢固、积极和长期的关系是现有、新的和未来的核电计划的关键因素。在各国评价小型模块堆等新技术作为低碳电力和非电力应用选择的可行性时,尽早、实质性和频繁地让利益相关者参与进来,也将有利于这些技术的的开发和部署。各利益相关者更好地理解核电在为电网特别是那些可变可再生能源所占比例较高的电网提供稳定性方面的重要作用,可以使公众更加接受核电。(中核战略规划研究总院王玉荟)

原标题: 国际原子能机构发布报告《国际核电状况与前景》

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