2019年,美國核能發電量為8430億kWh,約占總發電量的19%。
美國在近30年內幾乎沒有建造新反應堆,2020年后不久預計將有兩個新機組上線。自2007年年中以來,美國國內申請了16個許可證,可建造24個新核反應堆。
美國幾乎所有的核電都來自1967年至1990年間建造的反應堆。
從1977年到2013年,美國一直沒有新的核電項目。主要是因為多年來,天然氣發電被認為在經濟上更具吸引力,而且由于反對派經常延長1970年代和1980年代的施工進度,再加上1979年三哩島核事故后對核安全擔憂的加劇,核電建設一直止步不前。
2007年,美國田納西河谷管理局(TVA)決定開始新核電機組建設。
2016年,美國國內啟動了另一座壓水堆——瓦茨巴(Watts Bar)核電站2號機組。
盡管30多年來新建工程幾乎停滯不前,但美國對核能的依賴卻在增長。
1980年,美國核電站發電量為251 TWh,占全國總發電量的11%。
2019年,核能發電量已增至809 TWh,占總電力的近20%,全球核能發電量的30%以上。
增長的大部分來自于1970年代末和1980年代上線的47座反應堆,這些反應堆在1977年之前全部獲準建造,使美國的核能發電能力增加了一倍多。
通過改進現有核電廠的換料、維護和安全系統,美國核工業在電廠利用方面也取得了顯著的進步。
平均核電成本已從2012年的42美元/ MWh降至2019年的30美元/ MWh。
2、反應堆壽命延長和管理
1974年,美國成立核管理委員會(NRC),負責核工業的管理,尤其是反應堆、燃料循環設施、材料和廢物(以及核材料的其他民用)。
2000年3月,NRC采取了一項歷史性舉措,將卡爾弗特克利夫斯(Calvert Cliffs)核電廠兩臺機組的運行許可證再延長20年。
2019年3月,NRC更新了錫布魯克(Seabrook)核電廠的許可證,將該機組的運行時間延長了20年,至2050年。
這使得美國更新許可證的核反應堆數量達到94個,其中幾個已經關閉。
因此,幾乎所有的美國動力反應堆都有可能獲得60年的運行許可,業主承擔主要的基建工程,以在30-40年左右對其進行升級。
執照續期過程通常需要花費1600萬至2500萬美元,此類續期的程序,包括公開會議和徹底的安全審查,程序手續都比較完善。
最初的40年期許可證,基本是以20年為增量續期,因為40年期更多的是用于資本攤銷,而不是暗示反應堆的設計僅適用于該運營壽命。
這也是一項保守的措施,不過自那以來的經驗已經確定并解決了限制電廠壽期的因素。
NRC目前正在考慮將經營許可證延長60年至80年的申請,以及隨后的許可證續期(SLR)計劃。
截至2021年10月:
美國桃花谷核電站(圖源:網絡)
批準的反應堆(運營到80年):土耳其角(Turkey Point)核電站3&4號機組、桃花谷(Peach Bottom )核電站2&3號機組、薩里(Surry)核電站1&2號機組。
北安娜核電站(圖源:網絡)
正在審查的反應堆:北安娜(North Anna)核電站1&2號機組、波因特海灘(Point Beach)核電站1&2號機組、奧科尼(Oconee)核電站1, 2&3號機組。
布朗輪渡核電站(圖源:網絡)
預計通過的反應堆:布朗輪渡(Browns Ferry)核電站1, 2&3號機組、不倫瑞克(Brunswick)核電站1&2號機組、卡拉威(Callaway)核電站1號機組、卡托芭(Catawba)核電站1&2號機組、H.B羅賓遜(H.B.Robinson)核電站2號機組、麥克奎爾(McGuire)核電站1&2號機組、哈里斯(Harris)核電站1號機組、圣盧西(St.Lucie)核電站1&2號機組。
2020年10月,杜克能源表示,他們打算為其所有的11座反應堆尋求第二次20年的續期更新。
許可證延長至60年及以上意味著,可以進行重大的中年翻新,例如更換蒸汽發生器以及升級儀表和控制系統。
電廠主動部件(如泵和閥門)的可操作性受到持續審查,需要評估被動部件是否老化,這些老化可能會削弱它們的使用功能。
美國能源部(DOE)、電力研究所(EPRI)和美國機械工程師學會(ASME)都有針對這一問題的研發計劃。
NRC的反應堆監督和評估過程產生了19個關鍵領域(14個電廠安全指標、兩個輻射安全指標和三個安全指標)電廠績效的公開信息。
每季度在NRC網站上報告每個指標的績效,根據其是否正常、是否受到監管監督、是否引發監管行動或是否不可接受(在這種情況下,工廠可能會被關閉)。
在工業方面,1979年三里島事故后成立了核電運行研究所(INPO),以建立性能標準,定期對單個電廠進行測量。通常每18至24個月對每個成員工廠進行一次檢查。
2011年3月,日本福島核電站發生事故后,外部認識到,反應堆被淹沒,急救行動不足很容易加劇事故,對此,美國核工業制定了“靈活(FLEX)”事故應對戰略。在全國擁有61個中心和2個國家中心,共同提供在24小時內應對全國任何地方核電站事故的能力。
3、核工業發展
揚基·羅核電站(圖源:網絡)
美國是核電發展的先驅。
美國西屋公司設計了第一個完全商業化的壓水堆——揚基·羅(Yankee Rowe),這是一個容量為250 MWe的機組,于1960年啟動,1992年運行。
與此同時,阿貢國家實驗室開發了沸水反應堆——德累斯頓(Dresden)1號機組,也是通用電氣設計的第一座商業工廠(250 MWe),于1960年啟動。
1957年至1963年,沸水原型堆Vallecitos運行。
到20世紀60年代末,美國開發容量超過1000 MWe的壓水堆和沸水堆反應堆機組,一項重大建設項目正在進行中。
實際上,這些仍然是美國商業化建造的唯一類型。
1979年三里島事故后,美國的核開發遭受了重大挫折,這實際上也驗證了西方反應堆非常保守的設計原則,在事故中沒有人受傷或暴露于有害輻射。
不過,還是有許多訂單和項目被取消或暫停,核建筑行業陷入了20年的低迷。
然而,到1990年,已有100多個商業動力反應堆投入使用。其中大多數是由受監管的公用事業公司建設的,這些公用事業公司通常以國家為基礎,這意味著它們將資本成本(例如,延遲之后的資本成本)納入其費率基礎,并將其與電力銷售進行攤銷。
他們的消費者承擔風險并支付資本成本。隨著一些州放松電力管制,股東承擔任何資本超支的風險,電力被出售到競爭激烈的市場。
從操作上看,從20世紀70年代起,美國核工業極大地提高了其安全性和操作性能,到本世紀初,它已躋身于世界領先行列,平均凈容量因數超過90%。
能夠取得這一成績,主要由于隨著1992年《能源政策法案》的通過,美國工業繼續放松管制。
1998年后,變化加速,包括影響核電廠所有權和管理的兼并和收購。
4、設計認證
為提高美國發電能力,美國政府和工業界密切合作,為先進的三代反應堆進行設計認證。
核管理委員會(NRC)的設計認證表示,在徹底檢查是否符合安全要求后,可以在美國的任何地方建造通用類型的反應堆(如西屋AP1000)。通過現場特定許可程序并獲得施工和運行許可證,然后才能開始施工,15年后需要更新設計認證。
目前獲得美國設計認證設計包括:
西屋AP1000,第一個獲得認證的三代+反應堆。這是之前認證的西屋AP600的放大版,采用模塊化設計,將施工時間縮短至36個月。四個在中國運營,兩個在美國建造。
GE日立1300-1500 MWe先進沸水反應堆(ABWR)。日本目前有多個ABWR正在運營和建造中。東芝參與了一些項目建設,最近東芝在美國大力推廣了該設計。
東芝和GE日立版本都需要從2012年起更新其設計認證。東芝于2016年年中撤銷了其設計認證續期申請。
GE日立的經濟型簡化沸水反應堆(ESBWR),總功率1600 MWe,具有被動安全功能,由ABWR開發。
GE日立于2005年8月提交了申請,2011年3月通知了設計批準,2014年9月進行了設計認證。
2015年5月,費米(Fermi )核電站3號機組獲得了第一個施工和運營許可證(COL),2017年6月,北安娜核電站3號機組獲得了第二個施工和運營許可證。
韓國新古里核電站(圖源:網絡)
韓國APR-1400反應堆,自2016年起在韓國運行,自2020年起在阿拉伯聯合酋長國運行。2013年10月,韓國水電和核電公司向NRC提交了設計認證申請,2015年3月,NRC接受了修改后的申請。最終安全報告于2018年9月發布,2019年5月獲得設計認證。
NuScale多用途小型模塊化反應堆(SMR)示范裝置,該反應堆為愛達荷州國家實驗室計劃的60 MWe整體式壓水堆。根據西方核倡議,預計隨后將在西方各州部署12個模塊發電廠。
2017年,NRC接受了NuScale的設計認證申請。2020年8月,NuScale完成了NRC設計認證的第六個也是最后一個階段,9月,NRC發布了50 MWe版本的標準設計批準,這是第一個獲得該認證的SMR。
2013年,NuScale獲得了能源部高達2.26億美元的設計支持,并于2017年9月申請了第二部分貸款擔保。該公司正在尋求對77 MWe版本的單獨批準。
預計將接受美國設計認證的反應堆設計:
Rosatom表示,俄羅斯VVER-1200反應堆目前正在俄羅斯新沃羅涅日(Novovoronezh)核電站2號機組和列寧格勒(Leningrad)核電站2號機組運行,可能會通過俄羅斯原子能海外公司提交給美國設計認證。
以前接受美國設計認證的反應堆:
中國臺山核電一期工程(圖源:網絡)
美國進化動力反應堆(US EPR),是阿海琺EPR的改版,使歐洲設計與美國電力頻率一致。該類型主要發展是通過了UniStar核能認證。
該申請于2007年12月提交,設計認證規則預計在2015年年中之后,由于數字儀表和控制系統的復雜性而延遲。阿海琺隨后推遲了NRC時間表,并于2015年3月無限期暫停了申請。
1600 MWe的EPR在芬蘭、法國、英國有項目正在建造中,中國臺山核電站已經開始運行。
US-APWR設計(圖源:網絡)
三菱US-APWR-1700設計,是從日本敦賀計劃的1538 MWe反應堆設計發展而來。該申請于2007年12月提交,認證預計于2016年2月完成,但三菱將NRC的時間表推遲了“幾年”。2014年10月,幾乎相同的EU-APWR獲得了歐洲認證。三菱公司為科曼奇峰項目提出了兩個US-APWR反應堆,但三菱公司已退出該項目。
一些小型模塊化反應堆(SMR)設計正在向NRC申請設計認證或施工許可證和運行許可證:
BWRX-300(圖源:網絡)
GE日立核能于2019年12月向NRC提交了BWRX-300的許可申請文件。該公司表示,該設計“利用了經NRC認證的ESBWR的設計和許可基礎”,并且“代表了通用電氣自1955年開始開發核反應堆以來最簡單但最具創新性的BWR設計”
Holtec SMR-160 PWR示范機組(圖源:網絡)
Holtec國際公司于2020年11月宣布,已開始與NRC進行許可程序。在DOE的支持下,提議在薩凡納河現場建設一座160 MWe Holtec SMR-160 PWR示范機組(帶外部蒸汽發生器),并可能申請施工許可證,或在加拿大申請類似許可證。
2016年9月,三菱電力產品公司及其日本母公司成為該項目的合作伙伴,負責儀控設計并協助許可。2017年,SNC Lavalin加入該項目。南卡羅來納州和紐胡布州也支持這一提議。
南卡羅來納州電氣與天然氣公司正在評估X-能源的Xe-100球床SMR(50 MWe,一種高溫氣冷反應堆)。
極光核電站概念圖(圖源:網絡)
自2016年開始進行申請前談判后,奧克洛公司(Oklo Inc)于2020年3月提交了其1.5 MWe熱管微反應堆的COL申請,但并未首先尋求其設計認證。
NRC于2020年6月接受了該申請。奧克洛公司計劃在愛達荷州國家實驗室的一個場地建造第一個極光(Aurora)核電站,DOE已經為其頒發了場地使用許可證。
2014年2月,NRC表示,假設小型反應堆為輕水反應堆(PWR或BWR),其授予設計認證的最樂觀方案為41個月。