核能作為脫碳世界關鍵支柱的未來將取決于其對快速變化的適應能力，但該領域必須關注成本、結果的確定性、可靠性和經驗，以鞏固其在轉型后的作用，通用電氣日立核能 (GEH) )總裁兼首席執行官杰伊·威爾曼(Jay Wileman)在專訪中告訴POWER雜志。

雖然全球現有的超過400吉瓦的核電站已經發揮了重要的能源安全作用——提供負擔得起的穩定電力，在很大程度上不受燃料市場價格波動的影響——但有必要擴大規模以支持具有氣候意識的能源目標，但挑戰是多方面的，Wileman 說。

首先，它需要通過最大限度地提高壽命輸出和使發電以外的商業應用多樣化，使世界上已安裝的 450 座反應堆保持在線。“如果你失去了這個安裝基礎，你就會在實現碳目標的道路上倒退幾十年，”他說。

第二種途徑是采用“一流”技術建設新核電，重點是技術創新，以降低建設成本和進度，并確保運行的可靠性和安全性。“從歷史上看，核能被認為非常昂貴，其特點是項目持續時間長和不確定性，”Wileman 說。

但他建議，作為平行途徑，政府還應資助研究、開發和示范項目，以鼓勵早期采用小型模塊化反應堆 (SMR) 和先進反應堆。他說，私營部門也在開發創新以實現在降低成本和復雜性方面發揮作用，推動降低每兆瓦的投資成本。

必須采取緊急行動

在最近世界舞臺上呼吁采取緊急行動應對氣候變化之后，Wileman于 6 月接受了POWER 的采訪。5 月，在氣候變化領導人峰會期間，政策制定者警告世界各地的經濟體將總碳排放量減少到凈零的時間還不到30年。在5 月 17 日發布的具有里程碑意義的“路線圖”中，國際能源署 (IEA) 強調了核能在未來無碳系統中的關鍵作用，建議到 2030 年核電裝機量應該增加 40%——需要增加高達 30 吉瓦的新核容量——到 2050 年增加一倍。本月早些時候, 七國集團 (G7) 領導人承諾加速擺脫有增無減的煤炭產能并在電氣化方面取得更多進展。

12 月 12 日，世界核工業協會在一份聯合聲明中嚴厲警告說，在沒有新投資的情況下退役核電站將是“世界歷史上最大的清潔能源損失”。他們表示，如果沒有新項目，“20 年內全球將有超過 100 吉瓦的核電裝機退役”。

2007 年成立的 GEH 聯盟是 GEH 和日立科技集團之間成立的聯盟，負責領導 GEH 的 Wileman 指出，GE 和日立都在率先開展氣候領導計劃。通用電氣于 12 月全面承諾應對氣候變化，6 月特別發布了一份立場文件，強調其蒸汽動力業務在支持核能方面的協同作用。

正如 GE Steam Power 項目高級主管 Frédéric Wiscart 告訴POWER 的那樣，GE 的蒸汽輪機技術已經在全球 50% 的核電站中運行，為全球電網生產 200 GW。該商業集團于 9 月宣布將退出新建煤電市場，“顯然看到開發商、客戶和政府的心態發生了變化”，支持擴大核能在氣候中的作用，他說。

Wileman 說，總部位于北卡羅來納州威爾明頓的 GEH 是一家核心業務包括燃料技術和核服務的現代化公司，與此同時，對其 SMR 和先進核產品的興趣激增。該公司已經開發了 BWRX-300 SMR，GEH 項目最早可以在 2028 年部署它，但它也是核心團隊的一部分，與 TerraPower 一起，該團隊正在帶頭演示Natrium 設計，可能在懷俄明州，在美國能源部 (DOE) 的先進反應堆示范計劃下的未來七年內。

BWRX-300 是一個 ~300 MWe 的水冷自然循環小型模塊化反應堆 (SMR)，帶有被動安全系統。“作為沸水反應堆 (BWR) 的第十次演變，BWRX-300 代表了自 GE 于 1955 年開始開發核反應堆以來最簡單但最具創新性的 BWR 設計，”GEH 說。來源：GEH

BWRX-300 的廣闊前景

GEH 展示 BWRX-300 SMR 的前景尤其受到鼓舞時，安大略發電公司 (OPG) 去年恢復了最早于 2028 年在安大略省克拉靈頓的達靈頓核電站建造 SMR 的計劃活動——加拿大唯一擁有為未來的新核開發準備許可證，并完成并接受環境評估 指示性時間表假設加拿大核安全委員會將在 2024 年之前頒發建造許可證，并在 2027 年之前頒發運營許可證。

10 月，OPG選擇了三個 SMR 開發商：GEH、Terrestrial Energy 和 X-energy ，開始了該項目的高級工程和設計工作。盡管OPG 最近表示尚未“絕對決定成為這三者之一”，但它預計會在今年年底挑選一家供應商。

“我們非常適合該法案，”威爾曼告訴POWER。“我認為我們必須向 OPG 展示我們帶來了什么——不僅是最好的技術，而且是確定性。我們帶來了我們所有的經驗。我們帶來了我們的合作伙伴關系——因為在您建立這些時，它們與您的客戶建立了 60 年、80 年、100 年的合作伙伴關系。” 雖然 GEH 也已經在加拿大開展業務并且可以“本地化”，但它已經提出了一個經濟案例，表明其第一個 SMR 在制造和建設階段可以在安大略省創造超過 10 億加元的國內生產總值影響。

與此同時，GEH 正在波蘭率先開展 BWRX-300 的潛在部署應用，特別是與合成橡膠制造商和該國最大的化學原材料生產商之一 Synthos SA 合作。“顯然，我們正在與愛沙尼亞、捷克共和國、英國和日本進行談判，并密切關注我們的合作伙伴日立，”他說。“所以有全球利益，但我認為近期是加拿大和美國”

正如 Wileman 解釋的那樣，BWRX-300 的一個關鍵賣點是它努力降低建設成本和進度。他說，SMR 和蒸汽輪機設計可以在工廠中建造和組裝，采用改進的施工方法，并作為模塊運送到現場，降低每兆瓦的投資成本。

GEH 估計，與 GEH 的大型經濟簡化沸水反應堆 (ESBWR) 設計(BWRX-300 的來源)相比，BWRX-300 SMR 設計還使工廠布局的體積減少了約 90% ，以及與大型反應堆相比，每兆瓦的建筑材料估計減少 50%。“建設成本和進度優化的其他機會包括隧道行業的豎井施工技術和第二代鋼-混凝土復合模塊的使用，”它說。同時，其 ESBWR 技術根源和整體隔離閥設計簡化了許可，使設計能夠更快地滿足關鍵監管里程碑. Wileman 說，SMR 設計還使用了由 GE 牽頭的與日立的合資企業 Globalnuclear Fuel (GNF) 制造的現有燃料設計，它受益于經過驗證的組件和供應鏈風險。

“我們的目標是低于 3,000 美元/千瓦，資本成本約為 10 億美元——這在我們一些客戶的資產負債表上比今天在美國進行的一些建設更可行，”他說。他說，所有這些都使 BWRX-300 成為“風險最低、成本最具競爭力和上市速度最快的 SMR”。

核能的新途徑

Wileman 指出，正在開展大量工作，將核電重新設想為不僅是可調度的電力，而且是熱能和化學品生產，從根本上使其輸出多樣化。他指出，核能未來成功的關鍵在于其提供基荷發電以外的價值的能力。例如，靈活性是一個核心問題，正在通過 Natrium 設計中的熔鹽儲存來解決，他說。

鈉系統設有一個345兆瓦反應器，并且可以針對特定市場進行優化。例如，其創新的熱存儲有可能在需要時將系統的輸出功率提高到 500 兆瓦，持續時間超過五個半小時。來源：TerraPower

“氫氣生產將是關鍵。我可以看到 BWRX-300 同步得很好，為使用氫氣運行的 GE 聯合循環燃氣輪機的前端供電，”他說。“我可以在波蘭或斯堪的納維亞地區看到我們在進行工業加熱。”

然而，正如 Wiscart 指出的那樣，一些關鍵的技術方面仍然需要解決。“SMR 的渦輪機更接近我們所知的小型燃煤發電廠的渦輪機。但我們仍然需要在材料方面專門為 SMR 開發這種渦輪機，因為蒸汽壓力和蒸汽溫度條件與燃煤機組不同，”他說。“技術發展正在進行中，例如，我們正在努力為加拿大項目做好準備。”

目前，通用電氣蒸汽動力預計大型核電站市場的機會將繼續蓬勃發展。GE 的新立場文件預測，未來 10 年新核電站的年需求將顯著樂觀，達到 10 吉瓦。

Wiscart 說，這些發電廠可能會取代老化的核能發電。在英國——所有目前運營的核電站(Sizewell B 除外)都將在 2030 年退役——3.2 吉瓦欣克利角 C 項目正在進行建設，而 3.2 吉瓦 Sizewell C 項目正在開發中。他說，在法國，EDF 正在探索用三對“現代、更強大”的 EPR2 反應堆替換舊的早期技術裝置。然而，他表示，一些核能“新加入者”也在考慮重大項目，比如波蘭和沙特阿拉伯，后者表示到 2040 年可以建立高達 17 吉瓦的裝機容量。

Wiscart 建議，一種降低與大規模新建相關的開發成本的新興方法是“建立并始終使用可重復的設計”。“Akkuyu 是土耳其的第一座核電站，包括四個相同的機組，采用 GE 的阿拉貝爾汽輪機，”他說。他說，提高機組的效率和可靠性也很重要。“今天，世界上最強大的汽輪機 [阿拉貝爾汽輪機] 正在中國的臺山核電站運行，每臺發電量達 1,750 兆瓦，”他說。但欣克利角C“有望打破這一紀錄;這些機組的蒸汽輪機配備了一個 75 英寸的末級葉片，每臺機組額外產生 20 兆瓦的功率。”

現有核能的潛在收益

至少就目前而言，正如 Wileman 和 Wiscart 所建議的那樣，技術創新已經存在，可以提高現有船隊的效率和產量。在現有機組中，這可能涉及通過汽輪機改造升級反應堆，這可能導致蒸汽流量增加，從而增加功率輸出。Wiscart 表示，提高熱功率額定值并改造典型的蒸汽輪機和發電機可以實現高達 20% 或更多的額外總功率輸出。

他指出，自 1990 年代初以來，GE 沸水反應堆的熱電升級運動“已經產生了相當于三個新的 1,500 兆瓦核電站的額外發電量”。他建議，即使只是簡單地改造沒有反應堆流量變化的典型汽輪機軸系，也可以額外增加 2.5% 到 4% 的總功率輸出，并將主要汽輪機維護停機的時間延長至 6、8 或 12 年。對于尋求將運行許可證延長至 80 年的反應堆所有者來說，這些改進在財務上可能特別富有成效。

在燃料方面，燃料循環經濟性也在不斷提高。GNF正在 DOE 計劃下探索容災燃料 (ATF)，正在測試其新的 IronClad 和 ARMOR 技術方面取得進展。值得注意的是，去年 12 月，橡樹嶺國家實驗室收到了第一根 GNF 開發的核??燃料測試棒，該測試棒在南方公司的埃德溫哈奇核電站使用了 24 個月。 Wileman 說，GNF 還在追求更高的鈾濃縮度，以減少燃料負荷要求，減少乏燃料量，并將換料間隔延長至 30-36 個月。

數字化的重要影響

但也許過去十年發展中核能獲得的最大推動力來自數字化。Wiscart 指出，核公用事業正在努力應對降低運營和維護 (O&M) 成本以保持競爭力的壓力，現在可以使用資產績效管理解決方案、預測分析和 O&M 流程自動化。與此同時，Wileman 提到了停運計劃和分析 (OPA) 軟件，該軟件是 GEH 與 GE Digital 合作開發的，用于簡化整個核燃料換料停運流程，包括計劃、調度和執行。

Wileman 說，數字化也大大降低了 SMR 的成本。迄今為止，GEH 已根據美國能源部的高級研究計劃署 -智能核資產管理的能源發電(GEMINA) 計劃為 BWRX-300 創建了一個數字孿生體，該計劃的目標是將 O&M 成本降低十倍。他說，麻省理工學院目前還簽訂了組裝、驗證和運行 BWRX-300 系統的高保真數字雙胞胎的合同。

“如果您考慮 [核監管委員會] 在對這些設計的概率風險評估中試圖實現的目標，您可以在使用該數字雙胞胎展示您的安全案例方面做很多出色的工作，因此這確實有助于您通知您邊走邊設計，”Wileman 說。“另一部分是儀表和控制。工廠擁有帶有傳感器的系統，因此在那里也可以提高很多效率。”

Wileman 說，盡管有這些改進，但要充分利用現有和未來核電站在能源結構中的重要作用，還需要做更多的工作。一個關鍵方面是“確保我們每個人都參與其中，了解核能在這種碳環境中的價值。” 他說，這將需要討論“核究竟是什么，不僅在碳案例中，而且在安全案例中，在就業案例中，在其 [經濟] 影響中”，以及它在高等學習中的價值。

— Sonal Patel ， POWER 高級副主編