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美国核电简介1

(2014-07-25 18:58:19)
标签:

军事

分类: 行业研究
 目前美国已有超过100座核反应堆,发电量所占份额近20%,均拥有较好的运行实绩水平;
    随着管制解除,这些核反应堆的所有权和运行正逐步集中;
    反应堆寿期从40年延展至60年,增强了核电站的经济竞争力;
    预计到2020年会有新增核电装机容量,目前已有向管制机构提出的申请,为新的核电订单铺平道路。
 
1、背景:
        美国进行核电开发的先驱。西屋公司设计了第一座全面商业化的压水堆(PWR)——发电功率为250MWe的扬基•罗(Yankee Rowe)核电站,1960年投运,1992年退役。同时,阿贡(Argonne)国家实验室还开发出沸水堆(BWR),由通用电气设计的首座商业化BWR电站——发电功率为250MWe的德累斯顿1号(Dresden-1),于1960年投入运营。
http://www.snptc.com/file/Lists/xwzx/Attachements/59/3.JPG    
        BWR原型堆——Vallecitos,运行期为1957~1963年。
        到1960年代末,PWR和BWR核电机组的定单已经超过1000MWe,同时在建的规模也很大。这一时期,除了1976~1989年运行的300MWe高温气冷堆——圣符仑堡(Fort St Vrain)以外,美国建造的商业化核电站都是这一等级的PWR和BWR堆型。美国的核电发展在1979年三里岛(Three Mile Island)事故之后经历了比较大的倒退,尽管这一事故实际上验证了西方国家核反应堆的非常保守的设计原则,并且无人在事故中受到伤害或是受到有害辐射照射。事故发生后,许多定单和项目被取消或搁置,核电建设行业也随之进入了长达20年的低潮期。尽管如此,到1990年有超过100座商业化动力堆投入运行。
        1970年代以来,美国核工业在实践中显著地提高了核电站安全性和运行实绩,并且本世纪初以来,一直处于全球领先行列,平均功率因子(净)在90%以上,并且所有安全性指标都高于目标值。2005年,美国核发电量为7810亿kWh,几近总发电量的20%。
        这一实绩的实现是伴随着1992年美国通过了《能源政策法》开始对美国核工业逐步解除管制而来的。1998年以后,这一进程加快,包括有对核电站所有权和管理产生影响的合并、收购等活动。美国核工业由此也得到了进一步加强。
        今天,美国核电在地缘政治方面和经济性方面有同等的重要意义,它使美国降低了对进口石油和天然气的依赖程度。核电的运营成本——2006年为1.66美分/千瓦时,略低于煤电成本,并且远远低于天然气发电。
        1992~2005年间,美国新建了约270000MWe的天然气发电厂,同期只新增了14000MWe的核电和燃煤电站。美国70%的电力来自煤电和核电,并因此保证了电力价格的稳定。随着对于燃煤发电和核能发电技术的投资几近于零,日益增长的电力需求转向燃气发电,电力价格也因此翻了两番,迫使大型工业用户海外发展,同时燃气电价格被推高到了10美分/千瓦时。
        投资主要集中在燃气电站的原因在于投资风险最低。资金密集型的新型煤电和核电技术在投资方面确实存在一些不确定的风险。美国1/3的发电装机服役超过30年,在输电基础设施方面也需要大的投资。华盛顿认识到由此造成的能源投资危机,民主党和共和党也越来越一致地认识到核电在能源结构中的战略重要性和大气环保效益。
        因此,2005年的《能源政策法》极大地鼓励对包括核电在内的电力基础设施的投资。新堆建设预计2010年左右开始,2014年投入运行。
         2007年2月,美国电力研究所(EPRI)报告显示,到2030年美国对新增核发电装机容量的需求为64GWe,核发电量约占25.5%的份额,其中2020年核电装机需求为24GWe。
        经过了20年的持续下降之后,美国政府对核能研发资金投入正逐步恢复,目标是重新确立美国在全球核技术领域的领导地位。1997年美国核裂变研发费用为3700万美元,低于法国、韩国、加拿大,仅占美国能源研发费用的2%,与日本68%(25.37亿美元)的预算比例相比就更显可怜。1999年的预算中,局面反转,安排了一系列的研发计划,包括旗帜项目——核能研究计划(NERI)和核电站优化计划。随着1998年成功完成先进堆计划之后,1999年美国政府为首批45个NERI提供资金支持,标志着联邦政府在核能研究方面重新发挥主导作用。
        2008年财政年度(2007年10月起算),美国能源部对核能计划的资金需求为8.75亿美元。其中,为关闭燃料循环、支持“全球核能伙伴计划”而进行的先进燃料循环计划将获得3.95美元资金,第四代反应堆技术的研发将获得3600万美元资金(主要用于超高温堆研发)。2010年核电规划目标是先期部署先进堆,为此安排了1.14亿美元资金。
 
2、核电装机容量
        当前美国共有104座获得全面许可的核电反应堆,其中103座在运行,布朗斯费里1号(1065MWe,BWR)于1985年关闭,重新投运工作按计划将于2007年内完成。还有4座部分建造,并拥有有效的建设许可证。这些都是PWR或BWR,统称轻水反应堆(LWR)。
         1991年底(能源政策法通过以前),美国“可运营”核电装机容量共计97135MWe,2004年3月,核电装机容量为97452MWe。容量的增加来源于:
     减少5709MWe——8座反应堆永久性关闭;
     净增3810MWe——额定功率变更;
     增加2315MWe——2座新堆投运,科曼奇峰2号、瓦茨巴1号。
        根据经验,核电站必须实现总的发电成本低于2美分/千瓦时,在解除管制的市场环境下才具备有效的竞争力。关闭的8座堆中,仅有一座的发电成本低于2美分。
        1991~2003年期间实现的3724MWe净增长,是众多反应堆的额定功率增加和19座堆额定功率降低相抵之结果。
        截至2006年8月,有超过110项功率升级得到批准,总计4845MWe。同时,还有几项功率升级正接受美国核监管委员会(NRC)的审核,预计到2011年前,还会有约1690MWe的功率升级申请。
 
3、增加的核电站利用
        过去20年美国核电行业取得的显著成绩是,维护水平提高带来运行效率的增长,由此使得核电站的功率负荷因子(实际输出占铭牌满功率的比例)大幅度提高。1980年,全美的平均负荷因子为54%,1991年达到68%,2001年已升至90.7%。2001年,Exelon电力公司17座反应堆实现了高达94.4%的负荷因子。
         成绩的取得,主要在于停堆换料周期的缩短,1990年平均为107天,2000年已缩短到40天。现在的记录是15天。
         1991年以来,核发电量从6490亿千瓦时增长到7800亿千瓦时。此外,平均热效率也从1990年的32.40%提高到1999年的33.85%。
 
4、所有权集中
        1991年底,总计有101个实体拥有在运行核电站的所有者权益(包括参股)。到1999年底,这一数目减少到87个,其中最大的12个拥有54%的核电装机容量,这一比例较1991年略有上升。随着一些州电力市场自由化改革推进,美国在2000~2001年掀起了一阵合并与收购热潮,到2005年底,核电站所有者权益享有者已减少到27个,其中前10个拥有68%的核电装机容量。电力公司正寻求清偿或注销债务,以期未来的费用大部分以现金形式实现。
        尽管如此,新的投资仅发生在那些依赖市场确定电力价格的州。在仍采用传统的成本附加定价原则的州,则没有电站的买卖行为发生。
生产成本降低带来更高的利润空间潜力,因此,收购行为偏向于高电费的地区。2000年中期收购行为涉及到的5900MWe核电装机容量中,一半是1998年的生产成本高于2美分/千瓦时。卖方主要考虑是,成本较高的核电站是或有债务,希望通过损失少量帐面价值来去除风险;而规模较大的买方考虑通过核电站降低生产成本的能力来确定收购,以增加自己的资产规模。
 
5、其他合理化实践
(1)企业合并:
        所有权集中涉及的绝大部分核电装机容量都与合并有关。
       美国两个最大的核电装机所有者,Unicom公司和PECO能源公司通过价值320亿美元的合并,形成了Exelon集团,拥有14座反应堆,加上AmerGen的3座,总数达到17座。
         加利福尼亚电力与照明公司和弗罗里达Progress集团的合并,涉及4个厂址上的5座反应堆。这一合并行为于2000年11月解决了其最后的政府监管方面的障碍。
        GPU和第一能源公司(FirstEnergy)的合并,价值85亿美元,涉及4座反应堆,于2001年11月得到批准。
        2004年,PSEG和Exelon同意合并,Exelon于2005年1月接收了PSEG的3座反应堆(塞勒姆1、2号,霍普河)的管理。但在2006年,新泽西州监管机构拒绝许可这一合并行为,仅让Exelon负责这3座堆的管理。因监管机构正考虑所有权的部分合理化,所以Exelon将继续运营这3座堆。
        2005年,FPL和星座能源集团(Constellation Energy)同意合并(保留后者的企业名称),将位于7个厂址上的11座反应堆(超过8200MWe)集中管理。但是10个月后,这一合并由于马里兰州监管当局的阻挠而取消。
(2)管理合同:
        核管理公司(NMC),是1999年由中西部4家电力公司出资组建的合资企业,经美国核管会批准成为一家专业的核运营公司。NMC承担了6个厂址8台核电机组(4500MWe)的运行、燃料采购、维护工作,机组的所有权仍归这些电力公司。这些电力公司负责乏燃料和退役。随着企业合并活动的进行,NMC的主要动因在于降低成本和流程化操作。
         2003年9月,Entergy集团的核电公司签署协议,承担了内布拉斯加州的库珀核电站的管理,这是一座800MWe沸水堆,运行记录不佳。根据协议,Entergy收取一定费用,如果安全性和运营业绩提高,最多可获取50%以上的激励性支付。这一收入将用于偿付与全体雇员有关的费用支出。内布拉斯加州公用电力区仍保持该电站的所有权,是该电站的惟一的运营商和许可证人,回购全部电量。Entergy是美国第二大核运营商,将此种交易安排看作潜在的增长区域。
 
6、所有权集中的前途
        所有权集中,看上去是在电力市场解除管制的地方如火如荼的进行。最近的交易均以高价成交,其他的电力公司预计要采取拍卖方式。
        由于拍卖,和更多的买方引起竞争加剧,使得价格在初期的几笔交易之后被大幅度地推高。1998年中期以来,已有10年以上堆龄的核电站的成交价格,增长了10倍以上。
        2000年和2001年,1/3的美国核电装机容量通过合并、收购和联盟实现集中。还有更多的将要进行。1990~2004年,核电运行组织的数目减半,最终可能只会剩下10~12家核电运营商。
        相伴而来的是,1990~2005年,以核电为主业的电力公司的股票市值增长了107%,高于其他电力公司的增长速度。
 
7、监管和许可证展期
        美国核监管委员会(NRC)是一家成立于1974年的政府机构,负责核工业的监管,主要关注反应堆、燃料循环设施、核材料和废物(以及核材料的其他民用),重点是在安全方面。
         2000年3月,NRC出台一项历史性举措,更新了卡尔弗特悬岩核电站(2×825MWe,PWR)的运行许可证,展期20年。向NRC提交的申请,和对这些更新/展期的审查程序,以及公众会议和全面的安全评审,是十分详尽的。1970年代的核电站,运行许可证的有效期是40年,到2020年以前都将到期,而20年的展期意味着,诸如更换蒸汽发生器等的任何重大更新改造工作都可以放心进行了。
        截至2007年1月,NRC更新了48座反应堆的运行许可证,几近全美的一半。NRC正在审查其他的许可证更新/展期申请,预计最终103座在运行反应堆中有85座能够获得展期批准。
        NRC对这些核电站有一套新的监督和评估程序。在界定了确保安全性的所需要审查的内容之后,现在NRC有一套结构严密的程序来实现,以之替代与安全性关系不大的复杂且费力的步骤。通过新的监督与评估程序,将得到核电站19个关键领域的运行实绩信息,这些信息是可以公开获取的,包括14个电站安全性指标、2个辐射安全指标、3个保安指标。这些指标的运行实绩,将根据正常与否,每季度在NRC网站上公布,以引起监管部门的监督,促使监管机构实施监管行为,或确定为不可接受(这种情况下,核电站就可能被要求关闭。)
1979年三里岛事故以后,业界组建了核电运行研究所(INPO)。众多核电领导者都已认识到,核工业必须在自我监督上做得更好,才能确保不再发生类似的事件。组建INPO的目的是制定运行实绩的标准,任何一个核电站都可以依据标准进行合规性测量。一般来说,成员电站每18~24个月接受一次审查。
 
8、先进堆,设计认证
        过去20年间,美国核工业与NRC在第三代先进反应堆设计的认证方面紧密合作。现在有4种堆型获得了最终的设计许可证,这样就可以在美国任何地方建造,并且只需要经过厂址条件许可程序即可。这些先进的设计,也正在海外积极进行市场推广。此外,还有一些设计处在认证程序的不同阶段,也有的处于预认证阶段,也有的在等待提交申请。
        获得认证的设计中,GE和日立联合开发的先进型沸水堆(ABWR),1300~1500MWe,目前已有几座堆在日本投入了商业化运营,同时日本和中国台湾省还有几座堆在建。
        另一个获得认证的是西屋公司的“系统80+”,先进型压水堆设计,已具商业化部署的条件。韩国有8座“系统80”型反应堆,就吸收了很多“系统80+”的设计特点,形成了韩国下一代反应堆(APR-1400)计划的基础,预计APR-1400将于2010年后投入运行。
        美国核管会(NRC)于1997年5月对这两种设计颁发了最终的设计许可证,认定均超越了NRC“安全目标的几个数量级”。ABWR也获得了欧洲对先进堆型的标准要求的认可。
        第三种更具创新性的是美国研发的较小的600MWe等级先进堆——西屋公司的AP-600,具有非能动安全特性(堆芯损害概率设计值低于NRC当前标准千倍)。AP-600于1999年12月获得了NRC颁发的设计许可证。
         NRC是第一次颁发这种通用性许可证,有效期15年。经过了一系列繁复的公众参与程序、认证设计范围内的安全问题得到全面解决,之后在具体电站的许可审查中,将不再进行法律审查。
        在接受NRC审查认证程序以外,美国核工业为每个类型选定了一种标准化的设计——大型的ABWR和中型的AP-600,以进行首堆工程详细设计工作。这项2亿美元的计划,一半资金由美国能源部(DOE)提供。
        西屋公司的AP-1000,作为最新的第三代堆型设计,于2005年获得了NRC的最终设计许可证。AP-1000是对AP-600按比例的放大。西屋公司表示,这一设计是其花费了1300人•年和4.4亿美元进行设计和测试所形成的成果。根据预计,1100MWe等级的AP-1000的投资费用具有竞争力,模块化设计可将建设工期缩短为36个月。目前,中国已决定建造这一堆型,美国和英国也正在积极考虑建造。这种设计可根据需求采用混合氧化物燃料的堆芯。
        目前还有几种反应堆设计正在接受设计许可审查,或处于预申请阶段:
    GE和日立联合开发的1550MWe等级经济型简化沸水堆(ESBWR),源自于原来的ABWR,也具有非能动安全系统。在向NRC提交设计许可申请过程中,GE表示,7500页的申请文件,反映了10年来的努力成果。预计2008年可以得到设计批准,然后可获得许可证。美国也有几个新建计划倾向选择这个堆型。
    法国阿海法集团(AREVA)正在努力使先进型欧洲压水堆(EPR)可适用于美国,尽管据称EPR以超越美国的安全性要求。要适用于美国的EPR的100万人•时的工作量中,大部分是用于进行电力输出从原始设计的50Hz变更为60Hz。预计2007年晚些时候将提交设计许可证申请,首台机组(80%美国制造)预计于2015年并网发电。设计中也采纳了几项美方提出的建议。目前,1600MWe的第三代EPR正在芬兰建造,在法国计划由法国电力公司(EDF)建造,中国也选择在广东省建造。
    日本三菱公司开发的美国标准先进型压水堆(US-APWR)预计于2008年3月提交设计许可申请。这是一种源自日本将要建造的由西屋技术发展而来的1700MWe等级设计。日本政府计划为US-APWR、ESBWR两种设计获得美国颁发的许可证提供资金支持。西屋国际公司将与三菱重工一起参与在美国的研发工作。美国TXU能源公司以为其位于德克萨斯州的科曼奇峰核电站扩建项目选择了US-APWR堆型。
        由于通货膨胀、工程服务竞争加剧、劳力等原因,到2006年中期,美国的反应堆供应商已经调高了工程造价。AREVA评估US-EPR的造价为1800~2200美元/千瓦,西屋公司评估AP-1000造价为1500~1800美元/千瓦,GE评估ABWR造价为1850美元/千瓦、ESBWR造价为1600美元/千瓦。当造价为2000美元/千瓦的水平时,电价可能要超过6美分/千瓦时,高于对煤电、气电的短期预期价格。美国政府对于新增第1~2个百万千瓦的鼓励措施将使这个价格水平下降一半,而且后续的建造也将使成本进一步下降。
        在第三代的研发之外,美国核工业和能源部开始启动定义“第四代”反应堆设计标准的工作。
 
9、新堆建造准备
        三个监管方面的规则出台,促进了未来几年内新核电站的建设。在上面所说的设计许可证审查程序的以外,美国还出台了厂址预许可(ESP)和建设运行联合许可证(COL)的规定,部分费用由能源部承担。
        2001年的ESP计划已经引来了4个申请人:Exelon、Entergy、Dominion、Southern公司,分别为克林顿(Clinton)、大海湾(Grand Gulf)、北安娜(North Anna)、沃格特勒(Vogtle)4个厂址提出厂址预许可申请,这些厂址上均有在运行核电机组,并有扩建余地。2007年3月,Exelon公司在经过41个月的NRC和公众审查之后,为其位于伊利诺斯州的克林顿厂址获得首个ESP。随后,NRC决定授予Entergy公司的大海湾厂址第二个ESP。其他的申请都在审查过程中。ESP申请中,不用明确堆型,但是要表明厂址是满足建造新的核电站所要求的安全性、环境、地质等条件的。
2003年,美国能源部在其2010年核电计划中提出COL建议,能源部将为成功获得COL提供一半的费用。COL计划有两个目标:鼓励电力企业主动地提出许可证申请,同时鼓励反应堆供应商进行详细的工程计算以获得可靠的评估值。对于第一个目标,能源部准备了约5000万美元,对于第二个目标,为每个供应商准备了约2亿美元,将从特许权使用费中扣除。
        2004年,有2个电力企业和供应商组成的联合体宣布,正在寻求能源部的资金支持,以进行新堆的COL申请。第3个电力企业与供应商的联合体于2005年形成。
    NuStart能源开发联合体,由占美国核发电量一半多的电力企业,加上西屋公司、GE组成。联合体确定Entergy公司的大海湾厂址、田纳西流域管理局(TVA)的贝尔丰特(Bellefonte)厂址建设2座AP-1000反应堆。
    Dominion公司主导的联合体,有GE的参与,计划提出申请,在北安娜厂址2座在运行压水堆边上建造1座ESBWR。
    Unistar核能公司,由法国AREVA和美国星座能源集团合资组建的企业,为在美国建造至少4座AREVA的先进型EPR核电机组提供框架平台。
其他的电力公司也公布了提交COL申请的计划,并且一部分企业已经是以上所说的联合体的成员,它们也有单独提交申请的计划。NRC预计未来几年内,将有总计超过27份新堆许可证申请。
        COL中要求有指定的设计,并指明厂址,不过设计许可证可以不要求是完整的。多米宁(Dominion)联合体于2006年提交了COL申请,这时ESBWR的设计许可证尚未完全获得。NRC对每一份COL申请的审查要花费2年时间,预计2008年会对多米宁联合体的申请做出决定,2010年对NuStart联合体的申请做出决定,因为NuStart最初打算等待两种堆型设计设计许可证颁发后再选择其中之一,再于2008年提出COL申请。不过,2007年,NRC的估计是,第一批1~2个COL申请的审查程序为42个月。
        ESP和COL都没有向任何人承诺可以建造任何项目,但它们加速了未来新建计划的进行。
在关注新技术的同时,TVA正在资助一项研究,如何完成其所属的一座部分建成的核电机组——1167MWe的瓦茨巴2号堆,预计2013年可以并网。
下表列出了当前的COL项目。

申请人

技术路线

功率(MWe)

厂址、企业/许可证人

时间

NuStart

AP1000 x 2

2200

贝尔丰特,阿拉巴马州,TVA

2007年晚些

NuStart

ESBWR

1550

大海湾,密西西比州,Entergy

2007年晚些

Dominion

ESBWR

1550

北安娜,弗吉尼亚州,Dominion

2007年晚些

Entergy

ESBWR

1550

本德河,路易斯安那州,Entergy

2008年初

杜克能源、南方公司

AP1000 x 2

2200

/切罗基,南卡罗莱州,Duke

2007年晚些

南方公司

AP1000 x 2

2200

沃格特勒,佐治亚州,Southern

2008年初

南卡电力与天然气公司

AP1000 x 2

2200

萨默尔,南卡州,南卡电力与天然气公司

2007年晚些

Unistar

US EPR

1600

卡尔弗特悬岩,马里兰州,星座能源

20083

Unistar

US EPR

1600

九里峰,纽约州,星座能源

2008年中

Progress Energy

AP1000 x 2

2200

哈里斯,北卡罗莱纳州,Progress

延期

Progress Energy

AP1000 x 2

2200

克里斯特尔河附近,佛罗里达州,Progress

2008年中

NRG Energy

ABWR x 2

2700

南德克萨斯,STP核电公司

2007年晚些

阿玛里洛电力公司

US EPR x 2

3200

阿玛里洛,德克萨斯州,阿玛里洛电力公司

2008年晚些

Exelon

ESBWR or AP1000

?

新的厂址,德克萨斯州,Exelon

2008

TXU集团

US-APWR x2

3400

科曼奇峰,德克萨斯州,TXU

2008年晚些

Alternate Energy Holdings Inc

?

1600

Grand View,爱达菏州,AEHI

2007年晚些

佛罗里达电力与照明公司

?

?

土耳其角,佛罗里达州,FPL

2009

DTE Energy

?

?

费米,密歇根州,DTE Energy

2008年晚些

DTE Energy

?

?

萨斯奎汉纳,宾西法尼亚州,PPL

2008年晚些?

合计

33台机组

36,000+

 

 

       
        此外,TVA已经重新建造了布郎斯费里1号,改堆于1985年关闭。为期5年的更新计划也将其功率增加到了1155MWe,接近后建的2、3号机组。1号机组已经有运行许可证,2007年5月已经启堆,预计2007年晚些时候投入运行。约有15家电力公司和联合体准备为33座新堆提交建造运行联合许可证申请,美国核能研究所表示,这些申请意味着到2007年底,至少已经会投资20亿美元。这笔钱正花费在新堆型的设计和工程设计、许可证申请准备、诸如反应堆压力容器和蒸汽发生器等长周期设备的采购上。涉及到的新增核电装机容量约40GWe,但并非所有申请都有可能在短期内取得进展。融资将是个巨大的挑战。
 
10、2005年能源政策法
        在先前经过多轮讨论之后,2005年能源政策法在两院顺利通过,参议院74票赞成26票反对,众议院275票赞成156票反对。法案中对核电工业的鼓励措施有:
    最先投产的6000MWe核电站,在运行的前8年,享受1.8美分/千瓦时的电力生产税减免;
    联邦政府为由于监管原因造成的前6座先进型核反应堆的满功率运行推迟,提供20亿美元的风险担保;
    退役基金的税赋优化(部分下调);
    联邦政府为先进型反应堆或其他无排放技术提供高达项目80%的贷款担保;
    核损害责任保护的安德森价格方案展期20年;
    对先进核技术的支持。
        2006年,符合电力生产税减免的6000MWe容量已经明确,并将在那些在2008年前填写COL申请的申请者中间预先分配。先进型反应堆将于2014年开始建设,2021年前投入运行。
        2005年能源政策法还针对气候变化出台了措施,要求在2007年以前,国家战略中有解决此问题的行动方案。2005年,美国因使用能源排放了59亿吨二氧化碳。
 

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