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受用電量激增的影響，歐美國(guó)家大量服役年限即將到期的核電站獲延壽批準(zhǔn)。這為中國(guó)核電產(chǎn)業(yè)帶來(lái)怎樣的啟示？

文/本刊記者 范珊珊

數(shù)據(jù)中心用電需求的激增，讓科技巨頭們轉(zhuǎn)向押寶核電技術(shù)。微軟公司與美國(guó)最大清潔能源供應(yīng)商星座能源公司（ConstellationEnergy）達(dá)成重大合作協(xié)議，計(jì)劃重啟位于賓夕法尼亞州的三哩島核電站，為微軟日益擴(kuò)大的人工智能需求提供必要的電力支持。微軟承諾在20年內(nèi)購(gòu)買其產(chǎn)生的所有電力。根據(jù)協(xié)議，星座能源公司將重啟三哩島核電站的未受損反應(yīng)堆，并將所產(chǎn)生的電力出售給微軟。該反應(yīng)堆在2019年因運(yùn)行成本過(guò)高而關(guān)閉，星座能源公司預(yù)計(jì)于2028年初前后投資約16億美元，以完成重啟工作。

在歐美地區(qū)，像三哩島核電站這樣一直希望延長(zhǎng)生命的核電站還有很多。工業(yè)擴(kuò)張以及交通運(yùn)輸和其他部門的電氣化，世界能源需求正在增加。煤電等化石燃料正在逐步淘汰，核電仍然是少數(shù)能夠提供持續(xù)高輸出電力的可靠能源之一，因此重新受到關(guān)注。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上400余臺(tái)核電機(jī)組中大部分20上世紀(jì)70年代后陸續(xù)建成的，除少數(shù)三代核電廠設(shè)計(jì)壽命為60年以外，大部分為二代或二代改進(jìn)型，設(shè)計(jì)壽命一般為40年，也有少數(shù)機(jī)組比如我國(guó)秦山核電廠1號(hào)機(jī)組作為原型堆出于保守考慮定為30年。

這些機(jī)組現(xiàn)在已接近其預(yù)計(jì)壽命或原始許可期限的終點(diǎn)。截至2023年，美國(guó)反應(yīng)堆的平均使用年限已經(jīng)達(dá)到42年，歐洲近90%的反應(yīng)堆已使用30年或更長(zhǎng)時(shí)間。

核電廠老化管理和長(zhǎng)周期運(yùn)行，是世界核電行業(yè)普遍關(guān)注的重要課題。延長(zhǎng)核電站運(yùn)行壽命可以繼續(xù)利用核能的優(yōu)勢(shì)，提供可靠的電力供應(yīng)。此外，美國(guó)和歐洲的新核電廠建設(shè)項(xiàng)目在時(shí)間和預(yù)算上出現(xiàn)了巨大超支，間接提升了核電延壽的吸引力。

01

現(xiàn)實(shí)需求

在美國(guó)，核管理委員會(huì)(NRC)為核反應(yīng)堆頒發(fā)了40年的運(yùn)行壽命許可。但核電站的運(yùn)行時(shí)間肯定可以更長(zhǎng)。40年的期限并非為核電站的壽命劃定終點(diǎn)。40年是美國(guó)電力企業(yè)大規(guī)模投資貸款通常的償還期限，并不是基于安全、技術(shù)或環(huán)境等問(wèn)題的考慮。根據(jù)美國(guó)1954年的原子能法，核電廠可更新其運(yùn)行執(zhí)照。按照美國(guó)相關(guān)法律法規(guī)要求，對(duì)核電站審查合格后的執(zhí)照更新一次性批準(zhǔn)20年。

NRC已將大部分現(xiàn)有美國(guó)核電站的運(yùn)行執(zhí)照延長(zhǎng)20年，將其壽命延長(zhǎng)至60年。現(xiàn)在，一些運(yùn)營(yíng)商正在申請(qǐng)第二次延期。

今年年初，美國(guó)蒙蒂塞洛核電廠獲準(zhǔn)二次延壽。NRC發(fā)布聲明稱，該機(jī)構(gòu)已批準(zhǔn)XcelEnergy旗下蒙蒂塞洛核電廠的二次延壽申請(qǐng)。蒙蒂塞洛為單機(jī)組電廠，總裝機(jī)容量691MWe，本次延壽20年，可運(yùn)行至2050年9月。

該電廠初始運(yùn)行許可證于1981年9月簽發(fā)，2006年11月首次延壽20年。截至目前，包括蒙蒂塞洛在內(nèi)，美國(guó)已有9臺(tái)核電機(jī)組獲準(zhǔn)二次延壽，總壽期達(dá)80年。

NRC正在對(duì)其他6份二次延壽申請(qǐng)進(jìn)行審查。

核電業(yè)主之所以希望能將核電機(jī)組進(jìn)行延壽，經(jīng)濟(jì)性考量是最主要的原因。通過(guò)延壽，使核電站再運(yùn)行20年至30年，相當(dāng)于再建一座同等規(guī)模的核電站，所花費(fèi)用卻少得多。此外建造一座新核電站是一項(xiàng)耗時(shí)的工作，通常需要十年或更長(zhǎng)時(shí)間才能完成。相比之下，升級(jí)和延長(zhǎng)現(xiàn)有反應(yīng)堆的使用壽命只需花費(fèi)一小部分成本。

許多核電站最初設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間為40年，但通過(guò)適當(dāng)?shù)木S護(hù)和技術(shù)升級(jí)，其使用壽命通常可以延長(zhǎng)到60年甚至80年。這使得延壽成為更有吸引力的替代方案。

真正限制核電站壽命的部件很少。水冷系統(tǒng)和支持基礎(chǔ)設(shè)施中的泵、閥門和熱交換器等設(shè)備，都可以維護(hù)、維修或更換。隨著技術(shù)的進(jìn)步，它們甚至可能得到升級(jí)，以幫助核電站更高效地發(fā)電。麻省理工學(xué)院核工程教授雅各布·布翁焦?fàn)栔Z(JacopoBuongiorno)表示，兩個(gè)主要部件決定了核電站的壽命——反應(yīng)堆壓力容器和安全殼結(jié)構(gòu)。

反應(yīng)堆壓力容器是核電站的核心，容納反應(yīng)堆堆芯以及相關(guān)的冷卻系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)必須使反應(yīng)堆堆芯保持高溫高壓，且不發(fā)生泄漏。安全殼結(jié)構(gòu)是核反應(yīng)堆周圍的外殼，用于在緊急情況下將任何放射性物質(zhì)封閉在容器內(nèi)。這兩個(gè)部件對(duì)于核電站的安全運(yùn)行至關(guān)重要，而且通常更換成本過(guò)高或難度過(guò)大。監(jiān)管機(jī)構(gòu)在審查延長(zhǎng)核電站壽命的申請(qǐng)時(shí)，最關(guān)注的是這些部件的狀況和壽命。

國(guó)家核安全局原局長(zhǎng)趙成昆認(rèn)為，制約或極大程度地影響核電廠壽命的關(guān)鍵設(shè)備和部件是反應(yīng)堆壓力容器、堆內(nèi)構(gòu)件、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器、反應(yīng)堆冷卻劑泵泵殼、主管道等靜止部件，以及安全殼等主要構(gòu)筑物。特別是反應(yīng)堆壓力容器、安全殼，屬于不可更換設(shè)備或構(gòu)筑物。必須對(duì)核電廠中的部件進(jìn)行機(jī)組延續(xù)運(yùn)行期間的安全評(píng)估，包括老化部件壽命評(píng)估和更為精確的時(shí)限老化分析。

根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）的一份報(bào)告，將全球核電機(jī)組的使用壽命延長(zhǎng)10年，將在未來(lái)幾十年為電網(wǎng)增加26000太瓦時(shí)的低碳電力。這大約相當(dāng)于全球一年的電力需求。這有助于在全球擴(kuò)大低碳電力容量的同時(shí)減少排放。

去年底，歐盟委員會(huì)批準(zhǔn)了一項(xiàng)比利時(shí)支持措施，用于延長(zhǎng)比利時(shí)兩座核反應(yīng)堆——杜埃爾4號(hào)和蒂漢格3號(hào)的服役期限。根據(jù)2003年的核能逐步淘汰法，比利時(shí)所有七座核反應(yīng)堆必須在2025年前關(guān)閉。然而，2022年3月，出于對(duì)能源供應(yīng)安全的擔(dān)憂，比利時(shí)聯(lián)邦政府決定將其兩座最新的核電站再運(yùn)行10年。

2024年6月，比利時(shí)向歐盟委員會(huì)通報(bào)了其支持此次服役期限延長(zhǎng)的計(jì)劃。

越來(lái)越多的國(guó)家已經(jīng)接受了延長(zhǎng)核反應(yīng)堆使用壽命的想法。除了美國(guó)外，嚴(yán)重依賴核能的法國(guó)也在投資升級(jí)反應(yīng)堆，以保持能源供應(yīng)穩(wěn)定。盡管福島核事故后日本最初持懷疑態(tài)度，但該國(guó)已恢復(fù)了幾座老反應(yīng)堆的運(yùn)行。

在我國(guó)，最早的核電機(jī)組秦山核電廠1號(hào)機(jī)組運(yùn)行許可證在2021年獲準(zhǔn)延續(xù)，有效期延續(xù)至2041年7月30日。秦山核電1號(hào)機(jī)組是我國(guó)第一座自行設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行管理的30萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電機(jī)組，1991年12月15日首次成功并網(wǎng)，初始設(shè)計(jì)壽命30年。秦山延壽的成功是中國(guó)核能行業(yè)一方面借鑒了國(guó)際上大量成功實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)，另一方面通過(guò)大量的前期準(zhǔn)備工作、國(guó)內(nèi)外廣泛的技術(shù)交流掌握了開展運(yùn)行許可證有效期延續(xù)所必需的關(guān)鍵技術(shù)和能力，為后續(xù)國(guó)內(nèi)其他核電站及國(guó)際同類電廠開展此項(xiàng)工作打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

延長(zhǎng)現(xiàn)有反應(yīng)堆的壽命可以為不斷增長(zhǎng)的電力需求提供經(jīng)濟(jì)有效且立竿見(jiàn)影的解決方案，同時(shí)減少對(duì)化石燃料的依賴。與此同時(shí)，恢復(fù)舊核反應(yīng)堆帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

必須謹(jǐn)慎解決安全問(wèn)題、監(jiān)管障礙和核廢料管理問(wèn)題，以確保長(zhǎng)期可持續(xù)性。

02

恢復(fù)挑戰(zhàn)

相較于新建，核電延壽是經(jīng)濟(jì)性的選擇。但是對(duì)于核電站而言，安全才是生命線。只有達(dá)到安全要求，核電站才能延長(zhǎng)或者重新取得運(yùn)行執(zhí)照。

核電延壽除了可能帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)外，監(jiān)管障礙和財(cái)務(wù)問(wèn)題也是其挑戰(zhàn)。升級(jí)舊反應(yīng)堆可以提高其可靠性，但事實(shí)是這些設(shè)施是幾十年前使用現(xiàn)在被認(rèn)為過(guò)時(shí)的技術(shù)建造的。反應(yīng)堆容器和混凝土結(jié)構(gòu)等部件會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化。如果維護(hù)不當(dāng)，就會(huì)增加發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)。老化的反應(yīng)堆需要進(jìn)行廣泛的檢查和安全改造才能達(dá)到現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)，核電廠老化管理和監(jiān)管體系建立已成為迫切需求。

核電設(shè)施壽命長(zhǎng)，部件更換頻率低，訂單數(shù)量相對(duì)較少，使得供應(yīng)商不得不權(quán)衡是否有必要保持昂貴的核電認(rèn)證。這將導(dǎo)致合格供應(yīng)商較少，成本更高。因此，運(yùn)營(yíng)商需要評(píng)估和保障消耗性部件在整個(gè)運(yùn)營(yíng)壽期內(nèi)均能有效供應(yīng)。

并非所有的核電機(jī)組都可以延壽。由于石墨組件壽命有限且無(wú)法替換，英國(guó)先進(jìn)氣冷堆（AGR）將在未來(lái)10年內(nèi)全部關(guān)停，平均運(yùn)行壽期為40至50年。日益老化的石墨裝置降低了機(jī)組運(yùn)行性能，并將其壽命限制在45年左右。

但這類技術(shù)只占世界核電廠的小部分，大多核電機(jī)組數(shù)均采用壓水堆（PWR）、沸水堆（BWR）和加壓重水堆（PHWR）技術(shù)，沒(méi)有壽命方面的特殊限制。

目前國(guó)際上主流的核電廠延續(xù)運(yùn)行監(jiān)管策略除了美國(guó)的執(zhí)照更新（LR）外，另一個(gè)就是國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)期運(yùn)行（LTO）。前者在機(jī)組40年的運(yùn)行執(zhí)照到期前，通過(guò)遞交申請(qǐng)以證明機(jī)組延續(xù)運(yùn)行的安全性，從而使運(yùn)行執(zhí)照得以更新并延長(zhǎng)20年；后者則以每10年一次的定期安全審查（PSR）為基礎(chǔ)，評(píng)判是否批準(zhǔn)機(jī)組在下一個(gè)10年繼續(xù)運(yùn)行。

IAEA圍繞核電站延壽，制定了一系列涵蓋技術(shù)、安全等多維度的規(guī)定。在技術(shù)層面，IAEA強(qiáng)調(diào)對(duì)核電廠設(shè)備老化狀態(tài)評(píng)估的嚴(yán)謹(jǐn)性。由于核電站長(zhǎng)期運(yùn)行，像管道腐蝕、電纜老化、混凝土結(jié)構(gòu)劣化等設(shè)備老化問(wèn)題頻發(fā)。對(duì)此，IAEA要求在延壽申請(qǐng)階段，核電廠運(yùn)營(yíng)方必須開展全面且深入的設(shè)備老化分析工作。通過(guò)定期的在役檢查、先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)等手段，精準(zhǔn)掌握設(shè)備的實(shí)際狀況，評(píng)估老化對(duì)設(shè)備性能及安全性的影響程度。

我國(guó)秦山核電站的延壽制定了適合自身的運(yùn)行許可證有效期限延續(xù)（OLE）技術(shù)體系，既包含了美國(guó)執(zhí)照更新（LR）考慮的所有要素，又增加了IAEA關(guān)于PSR的要求，全面覆蓋了國(guó)際主流核電廠延續(xù)運(yùn)行的安全要素。

除了秦山核電站外，大亞灣1、2號(hào)機(jī)組1994年投入商運(yùn)以來(lái)，始終保持較好的運(yùn)行狀態(tài)，距初始設(shè)計(jì)壽命40年還有約10年時(shí)間。據(jù)悉，中廣核正在進(jìn)行大亞灣核電站兩臺(tái)機(jī)組延壽相關(guān)材料及準(zhǔn)備工作。秦山核電站也為其提供了可供參考的中國(guó)經(jīng)驗(yàn)。

隨著能源轉(zhuǎn)型的加速，延長(zhǎng)核反應(yīng)堆的壽命可能是一個(gè)臨時(shí)的過(guò)渡，直到更先進(jìn)的核技術(shù)或可再生能源解決方案得到廣泛應(yīng)用。這一戰(zhàn)略是否被證明是一個(gè)持久的解決方案或僅僅是一個(gè)短期的解決方案，將取決于未來(lái)幾年的技術(shù)進(jìn)步、政策決策和公眾接受度。數(shù)字化、增材制造、機(jī)器人技術(shù)、人工智能、自動(dòng)化和先進(jìn)核燃料等新技術(shù)在其間，將發(fā)揮關(guān)鍵作用。