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作為世界上最大的核電生產(chǎn)國，美國生產(chǎn)的核電占全球核發(fā)電量的30％以上，占美國發(fā)電總量20%。不過，美國幾乎所有核電產(chǎn)能都是在40年前批準(zhǔn)投產(chǎn)的，現(xiàn)有反應(yīng)堆正陸續(xù)退役。傳統(tǒng)的核電投資大、安全要求高，很難與低成本的天然氣和受政府補(bǔ)貼的風(fēng)電競爭，但美國核電一直在尋找新的發(fā)展方向。

（來源：《環(huán)境與生活》雜志  作者：卓異（發(fā)自美國））

美國的商業(yè)反應(yīng)堆多為私營公司所有，整個(gè)核工業(yè)的私人參與程度遠(yuǎn)高于其他國家。由于核電投資大、回收周期長，很難與低成本的天然氣和受政府補(bǔ)貼的風(fēng)電競爭，加之對(duì)安全防護(hù)要求不斷升級(jí)，也成為核工業(yè)開發(fā)創(chuàng)新的絆腳石。

三里島核事故是轉(zhuǎn)折點(diǎn)

根據(jù)美國能源信息管理局官網(wǎng)的數(shù)據(jù)，2017年，美國發(fā)電總量為4015 萬億瓦時(shí)，其中天然氣發(fā)電1273萬億瓦時(shí)（31.7％）、煤電1208萬億瓦時(shí)（30.1％）、核電805萬億瓦時(shí)（20％）、水電300萬億瓦時(shí)（7.5%）、風(fēng)電254萬億瓦時(shí)（6.3%），其他可再生能源發(fā)電133萬億瓦時(shí)。

數(shù)據(jù)來源：美國能源信息管理局官網(wǎng) 制圖/曲徑

目前美國共擁有99個(gè)核電反應(yīng)堆，分別由30個(gè)不同的電力公司運(yùn)營。幾乎所有的美國核電能力都來自1978年前批準(zhǔn)，1967年至1990年間建造的反應(yīng)堆。這主要是因?yàn)槎嗄陙硖烊粴獍l(fā)電在經(jīng)濟(jì)上更具吸引力，加上1979年三里島事故后對(duì)安全的擔(dān)憂加劇，以及上世紀(jì)七八十年代反核派的經(jīng)常阻撓，限制了美國核電的發(fā)展速度。

上世紀(jì)50年代末，世界上第一座商業(yè)核電廠希平港（Shippingport）開始運(yùn)營。上世紀(jì)80年代，它又成為美國第一個(gè)成功退役的核電廠。

美國最嚴(yán)重的核電事故于1979年3月28日發(fā)生在賓夕法尼亞州米德爾頓（Middletown）附近的三里島核電廠。當(dāng)時(shí)2號(hào)反應(yīng)堆爐芯熔毀，原因是壓力閥故障、設(shè)計(jì)問題和人為錯(cuò)誤。但由于西方反應(yīng)堆非常保守的設(shè)計(jì)原則，并沒有造成任何人員傷亡，事后也未發(fā)現(xiàn)相關(guān)癌癥病例。盡管如此，三里島事故仍然是美國核電業(yè)至關(guān)重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。它帶來了應(yīng)急規(guī)劃、反應(yīng)堆操作員培訓(xùn)、人為因素工程、輻射防護(hù)等許多核電站運(yùn)行領(lǐng)域的大規(guī)模變革，還導(dǎo)致美國核管理委員會(huì)收緊和加強(qiáng)其監(jiān)管，從而提高了安全性。

然而，公眾開始質(zhì)疑核電廠的建造，許多訂單和項(xiàng)目被取消或推遲，政府對(duì)核工業(yè)的安全要求也大幅提高。從那時(shí)起，美國有30年沒有頒發(fā)新核電廠的建造許可證，已批準(zhǔn)的新廠建設(shè)普遍延期，費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)算。

但美國的核工業(yè)并沒有就此衰落，安全和運(yùn)營表現(xiàn)反而大幅提高，美國對(duì)核電的依賴性也在增加。美國核電產(chǎn)能大部分來自1977年以前批準(zhǔn)建造的反應(yīng)堆，這些反應(yīng)堆多在上世紀(jì)80年代才開始運(yùn)行。到1990年，美國有100多個(gè)核反應(yīng)堆。雖然新廠建設(shè)停滯，但通過改進(jìn)現(xiàn)有核電廠的原料供給、維護(hù)和安全系統(tǒng)，美國核工業(yè)在電廠的利用率方面取得了顯著成就。到本世紀(jì)之交，美國核電平均凈容量系數(shù)（衡量裝機(jī)容量有效利用率的指標(biāo)）超過90％，且所有安全指標(biāo)都超過了目標(biāo)。

風(fēng)電可能是最強(qiáng)大競爭對(duì)手

高昂的成本，可能是美國核電發(fā)展停滯的直接原因。美國核電有兩個(gè)強(qiáng)勁的競爭對(duì)手：低成本天然氣(特別是頁巖氣)和獲得政府補(bǔ)貼的風(fēng)電。雖然對(duì)二氧化碳排放征稅將有助于核電與天然氣和煤炭競爭，但短期內(nèi)這個(gè)政策不會(huì)出臺(tái)。核電設(shè)備每千瓦時(shí)的運(yùn)行成本較高而缺乏競爭力，天然氣價(jià)格低，風(fēng)力發(fā)電機(jī)能獲得2.3美元/千瓦時(shí)的聯(lián)邦生產(chǎn)稅抵免，還可以優(yōu)先接入電網(wǎng)。當(dāng)市場電價(jià)在4美分/千瓦時(shí)以下時(shí)，核電廠的處境就捉襟見肘了。?？怂过垼‥xelon，美國最大核電運(yùn)營商）公司認(rèn)為，核電與廉價(jià)的天然氣競爭，尚可茍延殘喘，但受政府補(bǔ)貼的風(fēng)電卻能給核電造成滅頂之災(zāi)。盡管風(fēng)能目前只是供電的一小部分，而且大部分時(shí)間都處于停產(chǎn)或半停產(chǎn)狀態(tài)，但它對(duì)電價(jià)和和電廠存亡的影響是“至關(guān)重要的”。

核電支持者，美國核能研究所（Nuclear Energy Institute）的馬修·瓦爾德（Matthew Wald）認(rèn)為，減少溫室氣體排放的目標(biāo)必須與對(duì)核基礎(chǔ)設(shè)施的投資相結(jié)合?！拔覀儾煌饽壳笆袌龅倪\(yùn)作，因?yàn)槭袌霾粸榍鍧嵉目諝庵Ц度魏钨M(fèi)用，”他解釋說，“美國的一些州是有明確的二氧化碳減排目標(biāo)的?！彼ㄗh，美國的電網(wǎng)區(qū)域傳輸組織應(yīng)根據(jù)碳排放量調(diào)整電價(jià)，使更清潔的核能變得更具競爭力。然而，這需要很多政治意愿參與才能促成。

核電反對(duì)者認(rèn)為，一旦工廠不能再用于發(fā)電，就需要大量資金拆除。退役過程需要數(shù)十年，由于輻射和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性還會(huì)帶來許多安全風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)任美國總統(tǒng)特朗普看重經(jīng)濟(jì)效益，他簽署了能源獨(dú)立政策行政命令，減少了政府對(duì)風(fēng)電等清潔能源的財(cái)政補(bǔ)貼。特朗普認(rèn)為，美國的電力應(yīng)該是“負(fù)擔(dān)得起的，供電可靠的，規(guī)避意外的，防御襲擊的，和清潔無害的”，因此，美國核電產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為迎來了轉(zhuǎn)機(jī)。

2017年3月，美國總統(tǒng)特朗普簽署能源獨(dú)立政策行政命令，這被美國核工業(yè)視為轉(zhuǎn)機(jī)。

新建核電廠遠(yuǎn)超預(yù)算被放棄

在1979年的三里島核事故之后，美國首先批準(zhǔn)的兩個(gè)核電廠新建項(xiàng)目是南卡羅來納州的“休謨”（V.C.Summer）核電站和佐治亞州的“福格特”（Vogtle）核電站。這兩個(gè)核電站的建設(shè)于2008年先后公布，當(dāng)時(shí)曾被譽(yù)為“美國核工業(yè)的文藝復(fù)興”。

然而，到2017年，“休謨”核電站已耗費(fèi)100多億美元，大大超出預(yù)算，工程嚴(yán)重逾期，繼續(xù)建造核電廠的預(yù)算也顯著增加。運(yùn)營商南卡羅來納電氣公司（S.C. Electric & Gas Co.）和桑迪庫柏（Santee Cooper）公司決定放棄該核電廠的建造。

“福格特”核電站位于美國東南部的佐治亞州巴克（Burke）縣，1號(hào)和2號(hào)機(jī)組分別于1987年和1989年完工，3號(hào)和4號(hào)機(jī)組用西屋AP1000反應(yīng)堆的裝置正在建設(shè)中。這是目前美國惟一在建的核電站項(xiàng)目，但同樣也是大大超出預(yù)算，工程嚴(yán)重逾期。

這兩個(gè)項(xiàng)目讓承包商西屋公司承受了近百億美元損失，被迫申請(qǐng)破產(chǎn)保護(hù)。成本超支是由于社會(huì)追求完美和規(guī)避安全隱患造成的。過于嚴(yán)格的監(jiān)管要求，提高了施工復(fù)雜性。在日本福島核電站事故之后，核安全的監(jiān)管要求更是大幅提高，核電行業(yè)仍然缺乏經(jīng)濟(jì)有效的應(yīng)對(duì)苛刻監(jiān)管的經(jīng)驗(yàn)。

西屋公司的AP1000核電機(jī)組屬于最新的第三代核反應(yīng)堆技術(shù)，具有固有的安全特性。不僅用于“休謨”和“福格特”核電站，也用于我國浙江三門和山東海陽這兩個(gè)核電站。2017年3月，西屋公司和30家關(guān)聯(lián)公司申請(qǐng)破產(chǎn)保護(hù)，涉及數(shù)萬債權(quán)人。西屋表示將繼續(xù)致力于AP1000技術(shù)，并繼續(xù)支持在中國建設(shè)的工廠。 西屋公司在核燃料業(yè)務(wù)以及運(yùn)營工廠業(yè)務(wù)收入不錯(cuò)，而新建核電站卻虧損嚴(yán)重。今年初，西屋公司完成了破產(chǎn)重組，其核燃料和運(yùn)營核電的部門繼續(xù)營業(yè)。

美國近期建成的核電站是田納西州的“瓦茨巴”（Watts Bar）2號(hào)機(jī)組，也是20多年來惟一建成的新核電站?！巴叽陌汀?號(hào)和2號(hào)機(jī)組從1973年開始施工，遭受了很多延誤逾期。1號(hào)機(jī)組在1985年暫時(shí)停工，在1996年完成；2號(hào)機(jī)組在1988年暫時(shí)停工，在2007年重新開工，在2015年才徹底完工，2016年開始運(yùn)行。

由于耗資大、周期長、利潤低、風(fēng)險(xiǎn)高，核工業(yè)在市場上確實(shí)困難重重舉步維艱，未來新建核電站的預(yù)算則令人瞠目結(jié)舌，面對(duì)如此險(xiǎn)惡的商業(yè)環(huán)境，美國核工業(yè)部門也在尋求新的契機(jī)。

降低成本 小型模塊或成趨勢

成本高、工期長的核電廠的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)過高，無法吸引投資。那么，美國的核工業(yè)將何去何從呢？

一個(gè)方案是構(gòu)建小型模塊化反應(yīng)堆。其目標(biāo)是簡化施工過程，并批量生產(chǎn)可安裝常規(guī)設(shè)備的反應(yīng)堆。小型模塊化反應(yīng)堆的工作方式與大型工廠大致相同，但會(huì)大大縮短建筑時(shí)間和總成本。模塊可以在工廠制作，之后整個(gè)模塊可被運(yùn)到現(xiàn)場，大大降低了現(xiàn)場組裝的難度。這樣，最核心的工作從昂貴且生產(chǎn)效率低的建筑工地，轉(zhuǎn)移到了較便宜且生產(chǎn)率高的制造廠中。

“努斯凱爾”（NuScale）是由私營公司“努斯凱爾能源”（ NuScale Power）設(shè)計(jì)的小型模塊化壓水反應(yīng)堆。這是一個(gè)自然循環(huán)輕水反應(yīng)堆，反應(yīng)堆堆芯、升壓器和螺旋線圈蒸汽發(fā)生器位于反應(yīng)堆容器中，反應(yīng)堆容器位于圓柱形鋼質(zhì)安全殼內(nèi)。反應(yīng)堆容器封閉模塊浸沒在反應(yīng)堆安全水池中，該池也是反應(yīng)堆的最終散熱器。反應(yīng)堆建筑物的水池部分位于地面以下，使用被動(dòng)水循環(huán)，可以在沒有動(dòng)力泵或循環(huán)設(shè)備的情況下運(yùn)行。這種既提高了安全保障，又降低了生產(chǎn)成本。

“努斯凱爾”單個(gè)模塊長度不到25米，直徑4.6米，重約450噸，可產(chǎn)生5千萬瓦的功率。 一個(gè)核電廠最多包括12個(gè)“努斯凱爾”小型反應(yīng)堆，共產(chǎn)生6億瓦功率，大約是一個(gè)西屋AP1000發(fā)電機(jī)組輸出功率的一半。 每個(gè)“努斯凱爾”反應(yīng)堆模塊都包含簡單、冗余、多樣和獨(dú)立的安全功能。該計(jì)劃可連接多個(gè)迷你反應(yīng)堆為整座城市供電，要比大型核電站擁有更高的供電效率。12個(gè)迷你反應(yīng)堆的核電廠投資約30億美元，而在建 的“福格特”核電站投資已超過200億美元，當(dāng)然它的發(fā)電量是12個(gè)迷你反應(yīng)堆的兩倍。

在2016年12月，“努斯凱爾”向美國核管會(huì)提交了首份設(shè)計(jì)認(rèn)證申請(qǐng)（DCA），包括12000頁該申請(qǐng)報(bào)告于2017年3月15日獲得核管會(huì)批準(zhǔn)。

“努斯凱爾”（NuScale）由美國能源部投資（2000年-2003年），俄勒岡州立大學(xué)開發(fā)。通過技術(shù)轉(zhuǎn)讓，該計(jì)劃的科學(xué)家們在2007年獲得了相關(guān)專利的獨(dú)家使用權(quán)，并逐步將其商業(yè)化。2013年，“努斯凱爾”獲得美國能源部2億多美元的經(jīng)費(fèi)支持。“努斯凱爾”目前正打算在位于愛達(dá)荷州的國家實(shí)驗(yàn)室建造首個(gè)使用“努斯凱爾”設(shè)計(jì)模式的核電廠，預(yù)計(jì)在2025年投入商業(yè)運(yùn)營。

不過，仍有批評(píng)者稱，盡管小型模塊化核電廠的建設(shè)成本預(yù)計(jì)低于傳統(tǒng)核電廠，但還是遠(yuǎn)高于其他類型的電廠，并沒有從根本上解決核電成本高的問題。

第四代核電呼之欲出

核能缺乏創(chuàng)新的主要原因是難以獲得必要的設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施，來進(jìn)行高度專業(yè)化且往往相當(dāng)危險(xiǎn)的研究。不過，美國仍在積極研發(fā)下一代核電反應(yīng)堆，原因如下：

①國際能源機(jī)構(gòu)估計(jì)，到2030年世界電力需求將翻番，美國能源部認(rèn)為美國電力需求將在20年內(nèi)增長45％。

②核能不受不可靠的天氣/氣候條件或自然資源供應(yīng)不足的影響。

③維持或增加核能在國家能源結(jié)構(gòu)中的份額將減少電價(jià)波動(dòng)并為其他用途節(jié)省傳統(tǒng)石化原料。

④核電通過控制溫室氣體和有害微粒的排放，有助于滿足清潔空氣要求。

⑤美國共有31個(gè)研究堆，大部分隸屬于大學(xué)和國家實(shí)驗(yàn)室。國家實(shí)驗(yàn)室是基礎(chǔ)研究的平臺(tái)，可有效提供大學(xué)與工業(yè)接軌的橋梁。

第四代核能系統(tǒng)國際論壇（Generation IV International Forum, GIF）是對(duì)第四代核能系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)的國際組織，主要成員包括：中國、美國、澳大利亞、加拿大、歐洲原子能共同體（Euratom）、法國、日本、俄羅斯、南非、韓國、和瑞士。

第四代核電技術(shù)目前共有6個(gè)靠譜的設(shè)計(jì)概念，分別是：

氣冷快堆（GFR）、超高溫反應(yīng)堆（VHTR）、超臨界水冷堆（SCWR）、鈉冷快堆（SFR）、鉛冷快堆（LFR） 和熔鹽反應(yīng)堆（MSR）。

這些反應(yīng)堆概念旨在滿足世界對(duì)未來的能源需求：他們能有效地利用鈾（許多可以使用貧鈾或當(dāng)前反應(yīng)堆的“廢”燃料）；通過轉(zhuǎn)化從當(dāng)前反應(yīng)堆中“消滅”大部分核廢料；產(chǎn)生氫氣供其他用途所需；本質(zhì)安全且易于操作；與其他形式的能源生產(chǎn)相比，有明顯的性價(jià)比優(yōu)勢，且建造和運(yùn)營方的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)也不比其他能源高。

這些反應(yīng)堆概念目前處于不同的發(fā)展水平，預(yù)計(jì)第四代反應(yīng)堆的首次部署在2025年前完成。這些項(xiàng)目的發(fā)展?jié)摿κ蔷薮蟮?，例如，設(shè)計(jì)每年消耗一噸鈾的熔鹽反應(yīng)堆所提供的氫氣，就能供應(yīng)300萬輛車使用。