美核能发展前景及供应链风险分析

2022 年2 月24 日，美国能源部发布《核能供应链深度评估报告》，预测了核能在美国和全球其他国家的发展前景，评价了美国核能供应链风险和机遇，并指出了美国核工业未来的发展重点。

这份报告是能源部根据拜登总统2021 年2月签署的第14017 号行政令“美国供应链”编写的13 份能源领域供应链深度评估报告中的一份。在这13 份评估报告的基础上，能源部撰写了《维护供应链安全以大力推进清洁能源转型的综合战略》。这是美国政府有史以来第一份关于建立安全、有弹性和多样化国内能源工业基础的综合战略，为提升美国清洁能源供应链的弹性与可靠性提出了60多项行动建议。

1 核能市场前景广阔

随着先进反应堆研发、示范和部署工作的推进，核能未来将在三方面实现多样化：一是反应堆类型多样化，目前全球商业核电机组主要是大型轻水堆，未来会有包括先进轻水堆、液态金属冷却快堆、高温气冷堆、熔盐堆在内的多种反应堆实现商业化应用；二是反应堆规模多样化，随着模块化小堆和微堆实现商用，未来用户可以根据自己的需求选择相应规模的反应堆，甚至可以在现有燃煤电厂建设反应堆；三是能源产品多样化，除了发电，核能还可用于供暖、制氢、液体合成燃料的生产等。

世界各国已就能源结构清洁低碳转型达成广泛共识。核能在美国及其他国家均有广阔的发展前景。美国已设立2035年电力部门无碳排放和2050年整个经济体净零排放目标。最近的两项研究发现，现有核电机组延寿和核能创新是美国降低碳减排目标实现成本的关键：核电机组一次延寿（即将运行寿期从40年延长至60年）能够降低3300 亿美元的碳减排支出；如果将现有核电机组延寿与新建机组相结合，能够进一步降低数千亿美元支出。模拟研究表明，核电在美国电力结构中所占份额可能从当前的20%增至70%。

美国商务部2017年的一项研究估计：“未来十年全球民用核电市场产值将达5000亿至7400亿美元，可能为美国创造逾1000 亿美元的出口收入和数千个就业岗位。”爱达荷国家实验室预计，2040 年全球微堆市场规模可能达到每年数百座，2050 年增至每年数千座。在国际市场开拓方面，美国面临着来自中国和俄罗斯等国的竞争。在当前国际环境下，各国关于核电建设的决策总是超出经济范畴，涉及地缘政治关系、国家能源战略、环境目标（尤其是碳减排）、核不扩散、技术准备、监管基础架构和当地公众接受度等。美国企业在其中的部分领域拥有优势（详见表1）。报告建议美国加快推进先进反应堆商业化部署，在核工业领域重新确立国际领导地位，进而确保核能在世界各地以高安全水平和不扩散标准部署。

2 美国核能供应链风险

报告从现有核电机组和先进反应堆两方面评估了美国供应链风险（详见表2）。

2.1 现有核电机组供应链风险

美国现有93台核电机组，均为大型轻水堆，其中8 台机组许可寿期为40 年，79 台机组已获准延寿至60 年，6 台机组已获准延寿至80 年。此外，19 台机组准备延寿至80 年。对于现有机组，美国已拥有成熟供应链，但在三个方面存在供应风险。

表1 美国核工业的优势和劣势以及未来发展机会和面临的威胁

表2 美国现有电机组和先进反应堆供应链主要风险

一是天然铀生产和铀转化服务供应。由于国际市场铀价持续保持在低位，美国铀矿近年来纷纷停产减产，产量持续降低，2020年铀产量只占全球总产量的0.2%。一旦全球天然铀供应中断，本国产能可能无法快速提升，导致供应中断。但是，应当指出的是，澳大利亚和加拿大等美国盟友拥有大量铀资源且产量很高。如果发生断供，他们能够填补供应缺口。美国唯一的铀转化厂即梅特罗波利斯厂2017 年暂时停运，此后的美国铀转化服务完全依赖外国供应商。目前预计梅特罗波利斯厂将于2023年恢复运行。

二是浓缩锂供应。在现有核电厂中，压水堆机组需要在整个运行期间不断添加锂，以控制一回路酸碱值。锂的总需求量估计为每年300 千克。澳大利亚、智利和中国是世界三大锂生产国，但当前仅中国和俄罗斯拥有锂浓缩能力。随着其他国家更多压水堆建成投运，锂需求量会逐步增加。为消除这一供应风险，美国电力研究协会正在研究使用氢氧化钾代替锂。

三是铬和镍供应。镍和铬是核电机组管道系统以及金属设备和部件的重要制造原料。目前美国50%的镍需求和75%的铬需求通过进口满足：镍主要来自印度尼西亚、菲律宾和俄罗斯，铬主要来自南非和哈萨克斯坦。现有核电厂的长期持续运行需要更换多种金属设备和部件。

2.2 先进反应堆供应链风险

美国正在积极推进先进反应堆研发，并预计先进反应堆将在2035 年后实现大规模商业部署。在先进反应堆商业化过程中，需要大力开展供应链建设，尤其应关注四方面能力建设。

一是高丰度低浓铀（即铀-235 丰度在5%至20%之间的浓缩铀）供应。许多先进反应堆需要使用高丰度低浓铀燃料。爱达荷国家实验室估计：包括国防部微堆项目、能源部“先进反应堆示范计划”、医用同位素生产等在内的确切需求2030 年前约为每年8 至12 吨铀；潜在商业需求到2030 年可能超过每年100 吨铀。美国目前没有任何商业产能可用于生产高丰度低浓铀，唯一供应商是俄罗斯技术装备出口公司。

二是燃料制造能力。美国现有燃料制造设施均是为满足轻水堆需求建设的，目前没有商业规模的先进反应堆燃料制造设施，例如三元结构各向同性（TRISO）燃料和金属燃料。BWX技术公司已启动弗吉尼亚州林奇堡TRISO燃料生产线的升级改造和产能扩张，并且该生产线已获准使用高丰度低浓铀制造TRISO燃料。X能源公司和泰拉能源公司正在“先进反应堆示范计划”帮助下推进先进燃料制造设施的建设：前者拟建设一座TRISO燃料设施，后者拟建设一座金属燃料设施。

三是核级石墨供应。部分先进反应堆的堆芯结构件和慢化剂需要使用核级石墨。但石墨存在供应风险，因为美国全部依赖进口，且全球75%的石墨产自中国。此外，美国目前没有核级石墨结构件（部件）生产商。

四是锂以及锂和氯的浓缩。熔盐堆需要高纯度的锂或氯基盐来用作冷却剂和燃料（除非使用TRISO燃料）。锂和氯都需要浓缩，并需要合成燃料盐。目前，美国仅有实验室规模的燃料盐生产能力，未来需要部署商业产能。

3 美国未来核能发展重点

根据核工业供应链风险评估结果，报告指明了美国核工业需要在短期和长期内开展的重点工作。

3.1 短期发展重点

在至本世纪20 年代中期的短期内，美国应重点关注两项工作：确保高丰度低浓铀供应安全和完成先进反应堆首堆建设。实际上，能源部近年来一直在这两个方面持续开展工作。

对于高丰度低浓铀供应，能源部已明确两种方案。一是为确保近期供应，从库存的高浓铀乏燃料中提取高浓铀（铀-235丰度超过20%），然后稀释成高丰度低浓铀。二是为保障长期稳定供应，能源部正在帮助森图斯能源公司推进离心铀浓缩技术的商业化，并采用费用共担的方式在俄亥俄州派克顿建设一座浓缩设施。预计这座设施将于今年上半年投运，启动高丰度低浓铀的示范性生产。

能源部2020 年启动“先进反应堆示范计划”，目标是在未来五至七年内帮助两个技术开发商建成示范堆，并大力支持有望在21 世纪30年代中期实现商用的创新型反应堆研发。能源部已决定在该计划下资助10 种先进反应堆，其中两种准备在2028 年底前建成首堆，并已选定厂址：X能源公司准备在华盛顿州哥伦比亚县建设首座Xe-100 小堆电厂；泰拉能源公司准备在怀俄明州凯默勒建设第一座“Natrium反应堆-储能系统”示范电厂。

3.2 长期发展重点

美国核工业的长期发展规划应重点关注三个领域：新机组的建设和运营、现有机组持续运行以及核能多元化应用。美国已在后两个领域积极开展工作。

由于天然气价格长期保持在低位以及可再生能源在补贴支持下迅速发展，电价持续处于较低水平，美国几乎所有核电厂都处于收不抵支的状态，自2012 年以来已有超过10 台机组永久关闭。为保障现有机组的持续运行，已有多个州宣布向处于亏损状态的核电厂提供非市场金融补贴。《2021 年基础设施投资和就业法》授权能源部在2022 至2026 年实施总额为60 亿美元的民用核信贷计划，支持现有机组持续运行。

能源部2021年宣布为两个核电制氢示范项目提供资助：8月宣布为爱克斯龙电力公司提供资助，将在九英里峰核电厂安装用于制氢的质子交换膜电解槽，预计电解槽将于2022 年投入运行；10 月宣布为PNW 氢能公司提供资助，在帕洛弗迪核电厂开展低温电解制氢示范项目。

4 结语

核能是一种清洁、高效、优质的基荷能源，具有能量密度高、碳排放量低、环境影响小、持续运行时间长、用途广泛等特点，已在满足电力需求、调整能源结构、改善环境等方面为我国做出重要贡献，是我国践行“2030 年碳达峰、2060 年碳中和”承诺的理性且现实的选择。我国应“积极安全有序发展核电”，加快装机容量建设，逐步提升核电在电力结构中所占份额，同时大力开展先进核能技术研发，推进核能多元化应用及其与能源密集型产业的耦合发展，充分发挥核能零碳排放的优势，在更多领域取代化石能源，助力双碳目标的实现。

通过几十年的努力，我国已构筑完整的核工业体系，形成完整的核工业产业链，正在从核能大国向核能强国迈进。然而，当今世界正面临百年未有之大变局，且新冠疫情全球大流行和近期俄乌冲突均在加速推进这一变局。面对当前情况，我国应增强忧患意识，居安思危，持续开展产业链各环节的能力评价，坚持科技创新，不断加强产业链中薄弱环节建设，为实现向核能强国的跨越奠定坚实基础。

我国核电“走出去”已上升为国家战略，是践行“一带一路”倡议的重要体现。但国际核电市场开拓面临的政治风险很大，易受地缘政治关系的影响。除了反应堆造价，业主国政府在选择供应商时还需要考虑政治、外交、融资等诸多因素。美国已从2020年开始改变过去以企业为主的方式，转而使用国家力量帮助本国企业进军国际市场，已在波兰、乌克兰和罗马尼亚等国取得重要阶段性成果。未来我国应加强顶层协调，推进跨部级协调，各方形成合力，大力开拓国际市场。