GCNR研报 | 美国力争到2050年实现3亿千瓦核电装机目标

9月30日，美国能源部（DOE）发布了最新版报告《商业化腾飞之路：先进核能》。这是2023年3月发布的同一份报告的修订版，为关键清洁能源的成功商业化提供了明确的路径。报告旨在让公共和私营部门了解引入新反应堆的时间表，并促进更迅速、更协调的行动。

该报告反映了核电重新评估的最新趋势，包括电力需求的增长、对最新大型反应堆AP1000的兴趣增加，以及对现有反应堆价值的重新认识，例如重启关闭反应堆的计划。这份长达80页的报告包括执行摘要、术语表、第一章：简介和目标、第二章：核技术和价值主张、第三章：商业化起飞的途径，以及第四章：起飞，其中探讨了障碍及可能的解决方案，并附有图表和参考材料。

报告中提到的先进核电涵盖第3代+和第4代核反应堆，涉及成熟技术和创新技术，包括大型反应堆、小型反应堆和微型反应堆三种规模。作为一般示例，该报告将大型轻水反应堆定义为约100万千瓦，小型模块化反应堆（SMR）定义为约50,000至350,000千瓦，微型反应堆则为50,000千瓦或以下。

一、美国核电现状及未来展望

该报告首先预测，美国核电装机容量可能会增加两倍，从2024年的约1亿千瓦增至2050年的约3亿千瓦。报告指出，随着人工智能和数据中心对电力需求的不断增加，支持新核电投资的新需求已然出现。此外，《通货膨胀控制法案》（IRA）的激励措施正在改变现有核电站和新反应堆的评估方式。2022年因经济原因关闭的核电站运营公司计划在2024年将核反应堆的运行寿命延长至80年，并增加产量，同时考虑重启关闭的反应堆。

目前，美国在54个核电站拥有94座核电机组，提供了全国约20%的电力，几乎占据了全国零碳电力的一半。投资于第二次许可证更新（即延长至80年运行期）对维护现有反应堆至关重要。现有的94台机组中，84台机组的运行许可证将在2050年到期，24台机组将在2035年到期。因此，预计在不久的将来，总发电量将增加约200万至800万千瓦。现有核电站为新核电项目带来了显著的效益，初步分析表明，这些站点仍有能力容纳约6000万至9500万千瓦的新核电。多机组核电站受益于规模经济，因为多机组的发电成本比单机组低约30%。

二、重新评估核电的价值

核能作为可再生能源的清洁可靠补充，在能源转型中发挥着至关重要的作用。无论可再生能源的部署速度如何，电力系统的脱碳模型表明，为实现净零排放，至少需要增加7亿至9亿千瓦的清洁可靠发电容量。核电是少数能够大规模实现这一目标的经过验证的选择之一。核电并不是要“取代”或与可再生能源“竞争”；脱碳进程需要新建的核能和可再生能源相结合。将核电与其他清洁可靠能源整合，可以减少对额外不可靠发电、储能以及额外传输基础设施的需求，从而降低37%的脱碳成本。

报告进一步指出，核电在能源转型中的补充角色同样至关重要。电力系统的脱碳模式需要至少7亿至9亿千瓦的额外清洁可靠发电容量，以实现净零排放。核电作为能够大规模实现这一目标的选择之一，可以有效降低对额外不可靠电源、储能和电网的需求，并有助于降低总体成本。

图1 有核与无核条件下电力生产和能源转型成本的比较（美元/MWh）

核电对电力系统的脱碳模式做出了重大贡献，具体体现在以下几个方面：

1. 核能提供零碳电力。

2. 核能为可再生能源提供可靠的补充。

3. 核能使用的土地资源较少。

4. 核能在输电条件方面的限制少于分布式发电。

5. 核电项目创造了高水平的就业机会，并为当地经济带来显著效益。

6. 核电能够支持电力以外领域的脱碳，例如工业用热，同时确保电网灵活运行，实现净零系统的目标。

图2 核能为净零电网提供的价值（与其他能源比较）

三、美国政府的核电政策

美国政府积极支持新型核电的示范和部署。《通货膨胀控制法案》（IRA）为核电的商业化部署提供了大量税收抵免，并扩大了贷款计划办公室（LPO）的权限。同时，清洁能源示范办公室（OCED）和核能办公室（NE）正在资助并开展旨在降低创新技术风险的示范和研究项目。

针对现有反应堆，IRA引入了生产税收抵免（PTC）政策；对于新反应堆，除了PTC政策外，还引入了高达30%的投资税收抵免（ITC），总计可达50%。此外，IRA为现有和新反应堆创造了新的LPO贷款权限。

在2024年，国会将提供27.2亿美元，以鼓励国内燃料供应链的建设，其中包括为第三代核电和小型模块化反应堆提供9亿美元的支持。此外，通过《先进核能法案》，将加速部署多用途的清洁能源先进核能项目。

四、关于发电成本

随着量产成本的降低，新核电机组将在脱碳系统中发挥重要作用。尽管使用新技术或设计的首堆（FOAK）成本显著高于后来的量产成本，但通过重复部署相同设计，预计能够显著降低整体成本。从首堆到后续机组（NOAK），大部分成本节省将通过消除返工、优化专有技术和实施标准化设计来实现。核工业正在与客户和承包商密切合作，通过标准化反应堆设计、缩短项目之间的间隔时间，以及在同一地点部署多个机组，加速学习曲线。

然而，平准化电力成本（LCOE）并未充分体现核电作为清洁可靠能源的优势。这其中包括核电资产运营80年所带来的价值、在电网需求关键时刻（尤其是在其他可变电源不发电时）提供的稳定电力价值，以及与碳排放电力相比，稳定发电所带来的清洁电力的附加价值。此外，LCOE也没有充分考虑核能在提供可靠、无碳工业蒸汽供热方面的价值，而这种供热对许多工业流程至关重要，几乎没有可行的脱碳替代方案。

五、大规模部署新型核电

到2030年代中期，若不加快新核电的部署，可能无法实现脱碳目标，并导致核电供应链严重过度建设。加快扩展核工业基础有助于我们更快实现脱碳，提高资本效率。如果在2030年前开始部署核电，预计到2041年年核电装机容量将提升至1300万千瓦，到2050年可实现2亿千瓦的目标。若推迟五年，要实现同样的2亿千瓦，年核电装机容量需要超过2000万千瓦，这将可能使资本需求增加高达50%。成功的路径需要三个重叠的步骤：争取订单、项目实施和产业化。

对于未来新型核电的大规模部署，首先要确定建造至少5至10座同类型反应堆的系列订单，这是推动商业部署的重要一步。通过重复建设相同类型的反应堆，建设成本能够显著降低。这是因为通过反复建造、实践和学习，建造成本有望大幅下降。

采用联盟方法可以聚合需求，克服“先发劣势”，并实现成本节约。核工业必须解决将首堆成本分摊到后续机组的问题，避免等待第N个项目带来的无益延误。成功的核项目需涉及多个关键环节，包括反应堆设计、项目开发、所有权、运营和电力采购。

首堆的正确、按时、按预算实施对于项目的成功至关重要。Bogle 3号和4号机组（2 台AP1000 机组）在美国事隔30多年后首次开工建设，并已于近期投入运营，成为美国最大的清洁能源发电站。然而，在建设初期，设计错误、不熟练的供应链和未经培训的劳动力给项目实施带来了重大挑战，这些教训至今仍值得借鉴。目前，AP1000设计已完成，供应链基础设施也已建立，并培训了超过3万名工人。下一代AP1000还将通过IRA优惠政策实现显著的成本节省，包括30%-50%的投资税收抵免以及高达80%合格项目成本的LPO融资支持。

图3 利用NREL模型核算的平准化成本（2024年，美元/MWh）

六、扩大价值链（每个活动阶段创造的附加值链），使核电增加两倍

为了到2050年实现全面工业化并使核电装机容量增加两倍，价值链需要相应扩展。

劳动力：美国需要增加约375,000名核电劳动力（目前约为100,000人），以满足建设、运营和供应链技能的需求。
燃料供应链：美国每年需要约55,000至75,000吨U3O8，转化为每年约70,000至95,000吨UF6，并增加每年约45,000至55,000吨的额外浓缩能力（包括高浓缩铀HALEU）。此外，每年还需额外生产6,000至8,000吨燃料。
零部件供应链：为了支撑3亿千瓦的核电装机容量，零部件供应链需要大幅扩张，其中最大的缺口在于反应堆压力容器等大型零部件的制造能力。
许可证：美国核能管理委员会（NRC）需要将其许可证申请处理能力扩大到每年1300万千瓦。这可能需要NRC投入大量额外资源。
乏燃料管理：美国能源部致力于通过许可方法确定联邦综合临时储存和处置设施的选址。美国应继续当前的努力，确定联邦综合临时储存设施的地点，并从中吸取经验教训，为未来永久处置乏燃料的选址工作提供参考。