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核能科技创新:民用核能第一国的做法与启示

  • 2020-02-07
  • 来源:能源杂志
美国核能科技研发体系完善,但是研发具有革新意义的先进核能技术仍面临诸多困难。近年来美国从法规、政策和体制机制等方面采取措施,加快推进先进核能技术创新。而这一切,对于中国又有哪些借鉴意义呢?

美国是全球民用核能第一大国和第一强国,其核能发展规模、运营业绩和相关技术均长期处于国际领先水平。2018年全美99台核电机组平均负荷因子92.3%,发电量占比19.3%,是美国第一大零碳电源,2018年核电平均成本0.0 32美元/KWh(约合人民币0.22元),亦处于全球较低水平。

近年来,受低价天然气和可再生能源冲击,美国部分处于开放电力市场中的核电站在寿期内提前关闭,未来几年,将有更多的新建核电站因工程和成本问题严重受挫。在当前市场条件下,现有核电技术已无法有效支撑美国核能可持续发展。过去几届美国政府的政策导向都是支持并推动核能发展,加强核能技术创新理所应当成为了美国核能发展的核心要务。

美国拥有非常完善的核能科技研发体系,能源部下属多个核领域国家实验室,这些实验室大都是二战时美国曼哈顿工程的重点研发机构,是美国核科技研发的核心力量,它们与相关大学科研机构一起,重点开展核能领域基础研究。西屋、通用-日立等传统核能技术公司,连同多家中小技术创新企业,共同开展先进核能技术的设计和研发,美国政府经过评估筛选,向技术成熟度和可行性较高的企业提供部分资金支持。据统计,目前美国共有五十多家企业开展核能技术创新。

即便如此,研发具有革新意义的先进核能技术仍面临诸多困难,难以在短时期内实现工程和商业化应用。正因为如此,近年来美国推出了一系列组合举措,从法规、政策和体制机制等方面,加快推进先进核能技术创新。

立法先行是美国的惯常做法,国会两院在两年内先后讨论通过两项以推动核能技术创新为主要目标的法案。2018年9月美国总统签署《核能创新能力法案》(Nuclear Energy Innovation Capability Act,下称NEICA法案),2019年1月签署《核能创新和现代化法案》(Nuclear Energy Innovation and Modernization Act,下称NEIMA法案),前者侧重核能技术创新体制机制优化、基础研究设施建设和共享、资金支持、公私合作等,后者则主要聚焦于美国核管会对先进核能技术的监管框架优化。

体制机制优化

NEICA法案要求主管核能发展的能源部与负责核安全监管的核安全监管委员会加强合作,共享相关专业技术和能力, 包括先进核反应堆测试和示范、反应堆技术和工程共享数据库、计算机和软件代码等,通过相关技术资源的共享和合作,同时推动能源部核能技术的创新研发和核管会对新技术的设计认证和评估审批。

自从1974年美国能源重组法案将核能主管部门和监管部门分开后,两者一直相互独立分工明确,能源部和核工业界合作进行核能技术研发,核管会则进行安全评审,一定程度上形成制衡。

NEICA法案打破这一惯例,从法律层面要求加强主管部门和监管部门的合作和互动,能源部和行业在新技术研发过程中即与核管会保持互动沟通,可有效避免走弯路,同时核管会提前掌握核能新技术的细节,也有助于缩短未来技术审评流程,而核能新技术监管审批流程繁复冗长正是制约其商业化进程的主要因素之一。

2019年10月,能源部和核管会正式签署合作谅解备忘录,明确分别通过下属先进反应堆部署办公室和核能监管研究办公室,建立专业技术和知识共享机制以及合作协同机制。

针对核管会监管框架的问题,由于现行框架是基于传统轻水堆商业机组发展完善的,对反应堆技术的设计认证和许可证审批流程缺乏透明度,流程冗长且取费过高,成为先进反应堆技术商业化面临的难题之一。

基于此,NEIMA法案重点提出对美国核管会的改革举措,推动核管会有能力以安全、及时和透明的方式审批先进反应堆技术,建立一套新的适用于先进反应堆技术的监管框架。

首先是优化改革核管会的预算和取费机制,以降低先进核能技术的开发成本。其次是建立现代化的监管框架,制订新的问责措施来改进核管会的许可程序,要求核管会建立审批和许可项目的绩效标准和里程碑节点,并定期向国会报告,以确保核管会按计划时间表完成审批和许可流程。美国核工业业界普遍认为,该法案将是美国核安全监管机构改革和许可流程现代化的分水岭。

在资金支持方面,NEICA法案要求能源部制定并执行先进核能开发费用共担资助计划。该计划与能源部已有的加快核能创新接口倡议(GAIN)进行衔接,GAIN是2015年美国能源部启动的一项倡议,主要为先进核能技术开发方提供技术和资金支持,新计划则重点关注新技术的许可和审批,由能源部向先进核能技术开发方提供资金支持,帮助技术开发方获得核管会的评审和许可,从而降低技术开发方的许可成本,避免因许可成本过高导致先进核能技术创新受阻。

加强基础研究能力

目前,美国开展研发的新一代先进核能技术大多基于快中子堆,而自从1992年美国关停实验增殖快堆2号(EBR-2)后,美国几乎终止了快堆研发项目,因此缺失相关试验能力,尤其是用于为先进反应堆技术、燃料和材料研究提供支持的实验快堆。

NEICA法案要求能源部投资建设一座多功能试验快堆,具备快中子谱辐照能力,且可满足未来升级的需要。2018年11月,能源部宣布将使用通用-日立核能技术公司的PRISM钠冷快堆技术建设多功能试验快堆。2019年2月,能源部正式启动多功能试验快堆项目,由爱达荷国家实验室牵头实施,目标是2025年前建成运行,目前已启动环境影响评价。

在基础研究平台搭建方面,由于开展先进核能技术创新的中小企业缺乏大型试验设施和验证能力,制约其技术创新进程。针对该问题,NEICA法案要求能源部制订专项方案,充分利用国家实验室等政府技术资源,为私营企业的先进反应堆设计提供试验测试和验证示范平台。

2019年8月,能源部宣布建立国家反应堆创新中心(National Reactor Innovation Center,NRIC),作为先进反应堆技术的示范和验证平台,将为私营技术创新企业提供从试验、验证到示范的全方位支持。该中心同样将由爱达荷国家实验室牵头,同时与加快核能创新接口倡议(GAIN)对接,国会2020财年预算已为NRIC拨款500万美元支持资金。

此外,NEICA法案还要求能源部加强将高性能计算机模拟和仿真技术应用于先进反应堆技术研发。能源部将制订专项计划,通过国家战略计算倡议(NSCI)与其他政府机构协调,利用高性能超级计算机加快推进先进核能技术创新。

对我国核能技术创新的启示

笔者参加的某次核能行业研讨会上,有来自大学和科研院所的多位专家学者指出,我国在核能领域基础研究薄弱,相关共性技术研发机构缺位。往上追溯,我国核工业在进行公司化改革时,包括基础和共性技术研究在内的大部分科研院所,全部下放到中核集团,目前,原子能院和核动力院均承担较大部分的基础研究和共性技术研究。

参照美国核工业分级科研体系,按照国家抓基础和共性技术、企业抓应用技术的基本原则,有必要对我国核工业科研体系进行优化改革,建立由国家层面直接管理的核工业科技研发机构,开展核领域基础和前瞻技术研究,形式上可参照美国模式设立国家核实验室,定位为公共事业单位,同时服务于军工和核电企业。2019年两会上,近期新晋中国工程院院士的核动力院院长罗琦提交了关于设立核领域国家实验室的提案。

核工业国家实验室可定位为核领域相关战略性和原创性前沿基础研究以及重要共性技术研发等,主要聚焦周期长、需要进行多学科综合研究的项目,可由相关主管部门直接管理,既可以增强主管部门的技术预见和技术管理,又可以使其研发活动更接近于核工业发展要求,避免走向纯理论研究。国家实验室可以获得稳定的政府支持,没有经营考核等羁绊,保证其更好地专注于科技创新。

另外,在管理体制方面,目前我国核工业科技研发存在分头管理情况,科工局和能源局均管理核相关科研项目,虽然有军民侧重之分,但对于基础和共性技术研发,仍不可避免的出现重叠,导致资源分散,不利于集中管理和整体统筹。国际上,美国、法国和俄罗斯等核工业强国,相关科技研发均是由一家主管部门集中管理。

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