LTO——核电经济性的最优选择

世界核协会(WNA)2020年6月发布《核能资产的持久价值》报告。报告介绍了核电厂长期运行(LTO)的优势，指出LTO是能源经济性的最优选择，分析当前核电机组提前关闭原因，并提出确保核电厂LTO需要开展的工作。

1 在运核电机组具备长期运行能力

LTO的目的是将核电厂运行寿期延长至超过原许可证运行寿期或设计寿期，使其能够在更长时间内以可靠、低成本且低碳排放的方式生产电力，从而实现价值最大化。大多数在运机组的设计寿期为30至40年，但这并非由于技术限制。如今，在满足法规、安全性和经济性要求后，核电机组延寿已成为一种常见做法。

图1 在运核电机组的役龄组成(截至2020年1月)

如图1所示，全球大部分在运机组的役龄均已超过30年。2019年，5台核电机组运行期满50年，这是一个重要的里程碑。印度塔拉普尔1号机组率先实现，其次是塔拉普尔2号机组、瑞士贝兹瑙1号机组、美国九英里峰1号机组和京纳机组。这些机组将在比最初预期更长的时间里，继续以清洁可靠的方式生产电力。

核电厂LTO已有许多成功先例。美国大部分机组已运行超过30年，但运行实绩十分卓越，近年来的负荷因子超过90%。几乎所有机组均获得了在40年设计寿期的基础上延寿20年的许可。许多运营商希望能二次延寿，将机组运行寿期延长至80年。2019年12月，佛罗里达州土耳其角厂成为全球第一座获准延寿至80年的核电厂。

谈到核电厂老化问题，各国面临诸多挑战，并非所有核电机组都能实现延寿。例如，由于石墨组件寿期有限且无法替换，英国先进气冷堆(AGR)机组将在未来10年内全部关闭，平均运行寿期为40至50年。俄罗斯大功率沸腾管式堆(RBMK)也面临类似问题，日益老化的石墨装置降低了机组运行性能，并将其运行寿期限制在45年左右。但这类技术只占世界核电厂的小部分。大部分核电机组采用的是压水堆(PWR)、沸水堆(BWR)和加压重水堆(PHWR)技术，没有运行寿期方面的特殊限制。此外，关于老化问题的技术研究也在不断推进，甚至有望找到石墨堆延寿的解决方案。

1.1 部分核电机组提前关闭原因

在2011年福岛核事故发生后，许多核电机组在许可寿期期满之前关闭。其中大部分机组的关闭并非由于设备老化等技术问题，而是受市场、经济条件或政府法令影响的结果。在许多国家，何时关闭机组的决定权由政府掌握。即使运营商有选择权，政府也可通过引入新的税收政策及市场改革，或者推动监管机构制定新的投资标准，迫使核电厂提前关闭。美国自2013年以来已有约10台机组在许可寿期期满前关闭。若及时获得政府支持，其中的大部分机组应能避免提前关闭。事实上，关于是否建设以及如何维持并监管核电厂，从根本上讲仍是一个政治问题。

水力压裂技术的成熟，使低价页岩气大批出现，导致电力价格下降，间接促使美国多台核电机组因经济因素提前关闭。但起决定性作用的仍然是市场结构。由于政府对核电厂征税，瑞典和西班牙最近也有部分核电厂关闭。

图2 核电机组关闭原因(2000年1月—2020年1月)

此外，还有政治因素导致的关闭。例如德国和韩国的部分机组因政府的弃核政策而提前关闭。斯洛伐克等中东欧国家因欧盟入盟要求而关闭老旧机组。

政策、法规、维护成本和市场等因素的共同作用是导致核电机组关闭的主要原因。2011年3月福岛核事故只涉及4台机组，但之后日本电力公司一直无法从地方政府获得重启核电机组的许可。新安全标准出台后，多家公司因成本原因放弃对旧机组升级改造，导致10余台机组选择关闭。

1.2 LTO的价值

作为低碳战略的一部分，核电厂LTO不仅能够降低消费者的能源支出，还有助于加强环境保护。由于电厂层面的经济、政治原因，核电机组提前关闭的趋势已引发社会各界关注。越来越多的社会团体和国际组织呼吁将核能视为改善气候变化的优先选择，并向各国政府施压，要求设法避免核电厂过早关闭。

在大多数能源市场，如果以平准化成本(LCOE)计算，LTO是最经济的选择，这种状态预计将保持几十年。在大多数发展中国家，新建核能仍然是最便宜的低碳技术之一。在美国等发达国家，建造一台同类型核电机组的成本是现有机组延寿的两倍之多(详见图3)。此外，核电厂LCOE包含了包括废物管理在内的所有成本。相比之下，化石燃料电厂LCOE未包含相关碳成本，可再生能源LCOE未包含电网调频等成本。这些成本最终均需由消费者承担。

图3 中国和美国多种发电技术的平准化成本(LCOE)* 核电厂长期运行

此外，核能远不止发电这一种能力。政府在确定市场框架时是否承认并鼓励以下优势，是影响核电未来前景的关键因素之一：

· 零碳排放；

· 与其他能源技术相比，土地和资源占用量较小；

· 可有效避免氮氧化物、硫氧化物、重金属和颗粒物等污染物排放；

· 可持续供电，并可根据用电需求调峰运行；

· 提高能源弹性，加强在极端气候条件和外部威胁情况下的电力供应能力；

· 提供有助于稳定电网和调节频率的运行惯量；

· 燃料便于贮存，有助于加强能源供应安全性；

· 主要位于非城市地区，可为当地创造高薪工作岗位；

· 可为研究、医学、工业和农业提供同位素和支持；

· 有助于供热、工业和运输部门的脱碳。

在联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)2018年10月发布《全球升温1.5℃特别报告》后，社会团体和国际组织的紧迫感与日俱增，核能逐渐被认为是应对气候变化的关键技术。国际能源署(IEA)署长法提赫·比罗尔表示：“核电延寿不仅是一种经济有效的解决方案，还能让我们的气候目标保持活力。这是当今最紧迫的政策挑战。”

放弃核电这种可靠的低碳排放电厂而不是化石燃料电厂，无助于各国实现减排目标。例如，尽管许多人认为德国是环境保护的倡导者，但据统计，从绝对值来看，德国的二氧化碳排放量位于所有欧洲国家之首。鉴于其弃核政策，德国未来似乎将主要依赖于化石燃料。最近发布的燃煤电厂关闭时间表证实了这一情况。根据该时间表，德国将于2038年关闭所有燃煤电厂，并在之后保持对天然气的依赖。

从运营商的角度来看，核电厂LTO也具有重要意义。运营商拥有技术、经验、必要的人力资源以及基础设施，LTO取证过程将比建设核电机组更低价、更容易，而且还延长了建设废物管理设施和充实退役资金的时间。当地社区也将受益于此。关闭一座核电厂将在一定程度上造成社会动荡，美国佛蒙特州佛扬基核电厂2014年关闭时，当地经济损失达6000多万美元，税收至少损失1200万美元，大量人员失业。

美国和欧洲核电建设项目近期在时间和预算上都出现了巨大超支，间接提升了LTO的吸引力。然而，由于现有核电厂终将关闭，不能将LTO视为新建核电厂的替代方案。LTO从根本上说只是一种投资较低的权宜之计，建设核电厂对于核工业的长期发展和实现气候目标都不可或缺。LTO应为新建项目起到桥梁的作用，并帮助在积累项目经验的同时保持核心行业竞争力，进一步降低未来新建项目成本。

2 确保LTO顺利实施的关键要素

LTO的顺利实施需要包括运营商、供应链企业、监管机构和政策制定者在内的多方开展密切合作。

2.1 运营商

对于核电运营商而言，应在项目初期就将LTO方案考虑在内。LTO的准备工作受监管完善情况、装机规模以及相关经验水平等因素的影响，若不及早开展准备工作，项目成本及相关风险可能会增加。

建立核电机组寿期管理体系(PLiM)同样重要。PLiM的目的是确定核电机组整个运行寿期内所有需求和影响因素，保持高安全性并优化机组运行实绩。PLiM将综合考虑老化监测与经济规划，从而解决设备老化、维修排序、定期安全审查、教育培训等一系列延寿问题。

作为PLiM的一部分，运营商应尽可能采用状态检修方法，即根据先进的状态监测和诊断技术提供的设备状态信息，判断设备的异常，预测设备的故障，并根据预知的故障信息合理安排检修项目和检修周期。LTO的成功实施还取决于是否有适当的设计变更和知识管理方案。这对于机组的维护尤为重要。改造升级缺乏完整记录，将使得后续升级改造过程更具挑战性。

LTO升级和取证活动开始前，运营商还应对未来几十年中可能出现的机遇和风险进行分析预测。这意味着需要将新兴技术考虑在内，例如可再生能源、智能仪表和电动汽车等。同时还应考虑是否需要引入负荷跟踪或热电联产(如氢气生产、区域供热等)等运行模式，确保经济可行性。

在LTO取证之前，还需解决部分经济和法律层面的问题，包括下述四方面：

· 一是所有权问题。部分在运核电厂的所有权结构复杂，多个业主可能无法就LTO达成统一意见。若电厂想要在原寿期基础上继续运营，可能需要改变所有权结构。

· 二是土地租赁问题。可能需重新协商土地使用权。

· 三是投资回报问题，即是否有机制能够保障更长寿期内的投资回报，例如长期购电协议。

· 四是退役和废物管理资金问题。因运行寿期延长及未来废物量变化的影响，用于退役和废物管理的资金数额也应调整。

在LTO全过程中，还应注意人力资源保障。60年的运行寿期，已超过人均工作年限，这就意味着在电厂运行期间，需要注入数轮新鲜血液。员工的期望在不断变化，包括更加偏向于灵活的工作条件、数字化工作模式、以及“自下而上”的管理体系。因此，运营商应及时采取措施调整企业文化和就业福利，确保能够继续吸引高素质劳动力。

2.2 供应链

维持健康的供应链是LTO面临的更棘手挑战。核电机组运行寿期长，设备和部件更换频率低，订单数量相对较少，使得供应商不得不权衡是否有必要保持昂贵的核电设备供应商资质，这将导致合格供应商较少，设备更换成本高。因此，运营商和供应商需共同努力，保障消耗性设备和部件在整个运行寿期内的有效供应。

为不断提升运行安全性与经济竞争力，核工业具有强烈的创新动力。但对于LTO而言，创新往往意味着淘汰，技术革新可能使得核电厂无法从供应链中获得老旧设备。而且，核工业标准通常禁止直接使用行业外的现成产品(OTS)，同时要求将多种冗余系统作为纵深防御的组成部分，这意味着必须将旧系统作为新系统的备份或替代品，一个经典的例子就是很多核电厂目前仍在使用手摇电话。此外，从LTO的角度来看，创新还包含着协调国际规范和标准，并实施商品级物项适用性确认(CGD)，使更多普通商品能够供核电厂使用。

新技术也可发挥重要作用。可供在LTO中使用的关键技术包括下述六类：

· 一是数字化/数字孪生技术，有助于设计变更和知识管理；

· 二是增材制造技术，确保特殊设备和部件在供应商停止生产后的可获得性；

· 三是自动化和传感器技术，有助于加强对设备运行工况的监测，有利于根据设备状态开展检修工作，从而延长关键设备的运行寿期；

· 四是人工智能技术，有助于改进项目进度规划，降低停堆和改造期间的成本、时间和风险；

· 五是机器人技术，能够在难以靠近和高辐射的环境中工作，并可远程执行维修任务；

· 六是新型燃料设计，可提高安全性，降低事故风险和影响，同时促进运行灵活性和功率的提升。

2.3 政府、监管机构和利益相关方

政府应继续积极支持核能，确保政策连续性。对于政府来说，仅允许LTO是不够的，还需要积极开展一系列工作，包括：

· 加大基础教育投入，确保核工业能拥有熟练的员工队伍；

· 制定产业发展战略，维持供应链健康；

· 改革市场结构，重视核能的非电力应用；

· 在部分国家，LTO必须有公众参与。因此政府应确保这一过程的透明度，并向利益相关方提供基于事实的信息。除安全和环境风险，还应包含社会、经济效益的内容。

由于企业和金融机构需将政策风险考虑在内，因此任何形式的弃核政策都会扰乱核电厂LTO进程，并导致成本增加，使得国家气候目标更加难以实现。

在核电厂的整个运行寿期中，监管机构的组织架构和人员的变化都将影响LTO的实施，因此，监管机构也需要制定一个长期方案。同时，监管机构应具备足够的法律权威、技术和管理能力以及人力和财政资源，确保现有的监管框架与需要明确界定的LTO的要求相一致。此外，监管机构还应加强国际合作，共享类似电厂的运营历史并汲取其他项目的经验教训，促进LTO的顺利实施。

除运营商、政府和监管机构，其他利益相关方(如当地社区)的认同和参与也是LTO的重要组成部分。某些过去的参与和沟通方法现在可能已经失效，因此需重新评价现有的参与和沟通机制，确定其在推进LTO的目标实现和应对特定挑战方面的有效性。

3 小结

核电厂LTO已得到成功示范，现已成为标准化的工作模式。当今绝大多数机组将运行寿期延长至60年甚至80年不存在技术障碍。LTO意味着现有核电厂能够继续以可靠且低碳的方式大量生产电力，大幅增加了这些发电资产的价值。

自2000年以来关闭的核电机组大部分是因政治和经济原因，而非技术原因。例如，在2011年3月福岛事故后，日本电力公司无法满足监管机构提出的昂贵重启要求，决定关闭10多台机组。如果各国认真研判世界低碳发展形势并决定继续享受核电带来的众多益处，那么出于政治和经济因素关闭核电机组的情况将大幅减少。

虽然LTO是一个紧迫的全球优先事项，但它不应成为现有核电国家停止核电建设的借口。核电厂最终都将关闭，LTO可以通过保留关键技术能力，为未来核电建设项目奠定基础。LTO和核电建设应同时推进，共同助力减排目标的实现。

业界、政府和监管机构迫切需要采取行动，最大限度地提高现有核电厂的运行寿期。运营商应在三方面开展工作：第一，在初期阶段就引入电厂寿期管理和设计变更管理计划； 第二，在取证及现代化改造之前，对政治、经济、社会、技术、法律和环境方面可能存在的威胁和机会进行评价； 第三，加强企业文化建设，包括重视电厂的现代化改造和人力资源培养。

此外，在核电厂长期运行过程中，运营商和供应商还应确保设备和相关部件的可获得性。LTO意义上的创新应包括协调国际规范和标准，并实施商品级物项适用性确认。数字化、增材制造、机器人、人工智能、自动化和先进核燃料等新技术也将发挥关键作用。

各国政府不仅应允许核电厂LTO，还应积极支持核能，并确保相关政策的连续性。作为工业战略的一部分，政府还应为必要的基础架构建设提供教育培训资源，并承认核电的优势，重新规划能源市场。