中國儲能網(wǎng)訊：8月29日，英國能源安全與凈零部（DESNZ）發(fā)布公告[1]，將在已投入8.7億英鎊基礎(chǔ)上，向Sizewell C核電項目追加3.41億英鎊投資，用于施工場地建設(shè)、關(guān)鍵設(shè)備/部件采購和人力資源補(bǔ)充，加速核電項目的推進(jìn)。
近年來，英國已相繼部署了大型壓水堆核電項目建設(shè)、資助小型模塊化堆及先進(jìn)模塊化反應(yīng)堆研發(fā)、調(diào)整與優(yōu)化核能相關(guān)組織機(jī)構(gòu)等行動，期望擴(kuò)大核能發(fā)展規(guī)模。2020年，英國發(fā)布了《綠色工業(yè)革命十點(diǎn)計劃》[2]、《能源白皮書：為我們的凈零未來提供動力》[3]，計劃為小型模塊化堆和先進(jìn)模塊化堆分別提供2.15億英鎊、1.7億英鎊的研發(fā)資金。為了推動新核能項目的交付，2022年英國對核燃料有限公司（BNFL）進(jìn)行了重組，設(shè)置了獨(dú)立機(jī)構(gòu)“大不列顛核能”（GBN），負(fù)責(zé)小型模塊化反應(yīng)堆的競優(yōu)工作，為政府核能項目的最終投資決策提供支持。2023年新成立的能源安全與凈零排放部發(fā)布了《能源安全戰(zhàn)略》[4]，提出到2050年將核電裝機(jī)增加3倍至24吉瓦，發(fā)電量占比從15%提高到25%。本文揭示了英國的核電現(xiàn)狀及近期趨勢，分析英國在未來先進(jìn)核裂變能及核聚變研究方面的政策支持和技術(shù)路線選擇，為我國、我院核能領(lǐng)域相關(guān)研究和部署提供參考。
一、英國核電現(xiàn)狀及近期趨勢
截至2023年8月底，英國在運(yùn)9座二代核電機(jī)組，包括8座先進(jìn)氣冷堆（AGR）和1座壓水堆（PWR），總裝機(jī)容量為5388兆瓦，提供了約14.7%的電力。這9臺機(jī)組分布在4個場址，全部由法國電力公司在英國的分支機(jī)構(gòu)EDF Energy負(fù)責(zé)運(yùn)營。由于老化核電站的相繼關(guān)閉，英國核能發(fā)電量自 1998 年達(dá)到峰值以來一直在萎縮。26座鎂諾克斯反應(yīng)堆（Magnox）、6座AGR已永久關(guān)閉，2024年還計劃關(guān)停4座AGR，最后4座AGR也擬于2028年退出運(yùn)營序列，屆時英國的大容量核電將全部轉(zhuǎn)換為壓水堆技術(shù)路線。針對已關(guān)停和即將關(guān)停的核電機(jī)組，英國核退役管理局已制定了相關(guān)戰(zhàn)略，開展氣冷堆機(jī)組的退役工作[5]。
圖1 英國核電裝機(jī)規(guī)模發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和趨勢
在近期核電供應(yīng)能力方面，隨著4座AGR在2024年關(guān)停，英國核電總裝機(jī)規(guī)模將迅速縮減到3638兆瓦，跌至歷史最低點(diǎn)，如圖1所示。Hinkley Point C兩座新建歐洲壓水堆（EPR）計劃于2027年、2028年相繼投運(yùn)，Sizewell C目前尚未開工，預(yù)計在2030年前后才能商運(yùn)。在建和擬建的4臺EPR核電機(jī)組有助于恢復(fù)英國的核電裝機(jī)規(guī)模，但隨著到2028年AGR全部停運(yùn)，以及新建核電項目進(jìn)度控制的不確定性，在2030年前英國的預(yù)期核能發(fā)電量將在低位波動徘徊，存在電力供應(yīng)風(fēng)險。
在核電資產(chǎn)管理方面，由于20世紀(jì)80年代英國開展私有化改革，國有企業(yè)逐漸解體退出，政府逐步失去對核電資產(chǎn)的控制。新時期，英國政府為重新獲得核電發(fā)展的掌控力，在大型核電建設(shè)項目的占股已從Hinkley Point C項目的零占股提高到Sizewell C項目的50%占股，但核電技術(shù)、資本和運(yùn)營依然嚴(yán)重依賴境外企業(yè)。
二、未來先進(jìn)核裂變能發(fā)展方向
面對AGR經(jīng)濟(jì)競爭力不足，缺少成熟的自主核電技術(shù)，購買大容量第三代壓水堆來進(jìn)行AGR大規(guī)模退役后的電源替代，是英國解決當(dāng)前能源安全和電網(wǎng)安全的近期必然選擇，也是最為迫切的優(yōu)先行動。但吉瓦級大容量壓水堆建造時間長、投資成本高，在自由經(jīng)濟(jì)市場的英國，大型項目的管理問題較為突出，項目的不確定性風(fēng)險較高。因此，為了縮短建造新核電機(jī)組的交付周期，消除吉瓦級核電項目的相關(guān)問題，吸引更多投資，以更大的靈活性來適應(yīng)英國規(guī)模相對較小的電網(wǎng)，系統(tǒng)性解決電力脫碳和工業(yè)脫碳問題，迫切需要發(fā)展小型模塊化反應(yīng)堆、先進(jìn)模塊化反應(yīng)堆等先進(jìn)核能系統(tǒng)。
01.壓水堆技術(shù)成為英國小型模塊化反應(yīng)堆優(yōu)先發(fā)展方向
在民用核電領(lǐng)域，英國沒有自主壓水堆技術(shù)，但在軍用領(lǐng)域，其核潛艇一直采用壓水堆技術(shù)。20世紀(jì)60年代，英國羅爾斯-羅伊斯公司在美國S5W潛艇核動力反應(yīng)堆的基礎(chǔ)上發(fā)展了本國的PWR-1型反應(yīng)堆，以及后來的PWR-2、PWR-3。
2021年6月，英國在“創(chuàng)新英國挑戰(zhàn)基金”第一階段啟動小型模塊化反應(yīng)堆（SMR）“低成本核能”挑戰(zhàn)[6]，明確了小型模塊化反應(yīng)堆的技術(shù)路線，支持羅爾斯-羅伊斯公司開發(fā)470兆瓦電功率級小型壓水堆模塊化反應(yīng)堆[7]，計劃到2025年3月全面完成第二階段通用設(shè)計評估（GDA），完成小型模塊化反應(yīng)堆的技術(shù)設(shè)計和成本模型，為政府制定相關(guān)政策提供依據(jù)。
02.以高溫氣冷堆技術(shù)為主，兼顧熔鹽堆技術(shù)，發(fā)展先進(jìn)模塊化反應(yīng)堆
2021年9月，基于英國在氣冷堆方面的豐富經(jīng)驗、高溫氣冷堆（HTGR）技術(shù)成熟度、建造成本、非電力應(yīng)用（高品質(zhì)工業(yè)用熱、制氫）以及與日本和美國在HTGR方面的合作關(guān)系等諸多因素的綜合考量，英國最終選擇將HTGR作為近期優(yōu)先發(fā)展的先進(jìn)模塊化反應(yīng)堆技術(shù)。
英國于2022年2月啟動了“先進(jìn)模塊化反應(yīng)堆研發(fā)示范計劃”A階段[8]，明確了HTGR的發(fā)展目標(biāo)，后在2023年7月啟動了該計劃B階段[9]，著手開展出口溫度達(dá)750 ℃，可滿足制氫、可持續(xù)航空燃料（SAF）制取等工業(yè)應(yīng)用場景需求的微型模塊化高溫氣冷堆研發(fā)設(shè)計；同時還進(jìn)行出口溫度達(dá)950 ℃的高溫氣冷堆設(shè)計和包覆顆粒核燃料（TRISO）開發(fā)。
在發(fā)展高溫氣冷堆技術(shù)的同時，英國兼顧熔鹽堆技術(shù)的研究，支持moltexFLEX公司的熔鹽反應(yīng)堆設(shè)計，包括用于熱電聯(lián)供的自然循環(huán)熱中子堆FLEX[10]、用于核廢料焚燒的快中子堆SSR-W 300及核廢料轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定鹽（WATSS）的回收工藝。
03.液態(tài)金屬冷卻快中子反應(yīng)堆尚未明確下一步發(fā)展計劃
由于HTGR所采用的包覆顆粒燃料在后處理存在較大的困難，英國將HTGR定位于為2050年凈零排放做出貢獻(xiàn)的短期選擇；而從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，英國還將建造其它類型的先進(jìn)反應(yīng)堆，并對燃料進(jìn)行再循環(huán)，以更有效地利用鈾資源。
英國在20世紀(jì)90年代以前，開展了液態(tài)金屬冷卻快中子堆（LMFR）基礎(chǔ)研究，建設(shè)了60兆瓦熱功率、15兆瓦電功率鈉鉀合金冷卻快中子實驗堆和250兆瓦電功率鈉冷快中子原型堆，還進(jìn)行了商業(yè)示范堆的設(shè)計。期間，英國在敦雷建設(shè)了整套的核燃料循環(huán)流程，掌握了钚處理、混合后氧化處理（MOX）的相關(guān)技術(shù)和經(jīng)驗。
隨著私有化改革、核能發(fā)展政策的不明朗以及與歐盟之間的關(guān)系等諸多因素，英國鈉冷快堆商業(yè)示范項目在1993年關(guān)閉，未能完成技術(shù)的最終驗證。目前，英國政府尚未明確液態(tài)金屬冷卻快中子堆的下一步發(fā)展計劃，相關(guān)研究和分析論證工作仍在進(jìn)行之中[11]。
三、加大投入強(qiáng)化核聚變自主研究能力
20世紀(jì)80年代英國的私有化運(yùn)動并未影響核聚變的研究，至今為止仍由英國原子能管理局（UKAEA）管理，受政府直接管轄，在核聚變政策和資金方面具有持續(xù)的穩(wěn)定性，英國政府和歐盟每年投入約1億英鎊經(jīng)費(fèi)支持聚變研究，代表性研究設(shè)施包括即將進(jìn)入退役階段的歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）核聚變裝置[12]。
在脫歐的大背景下，2023年英國政府決定不加入歐洲原子能共同體研究和培訓(xùn)計劃（Euratom R&T）以及聚變能計劃，立足建立自主核聚變研究能力[13]，彌補(bǔ)JET退役所造成的研發(fā)能力缺失。為此，英國已計劃投入7.76億英鎊的經(jīng)費(fèi)，落實核聚變戰(zhàn)略，新建設(shè)用于發(fā)展核聚變?nèi)剂涎h(huán)能力和創(chuàng)新的設(shè)施，發(fā)展新的核聚變科學(xué)和人力資源開發(fā)，加強(qiáng)國際合作項目，加速球形托卡馬克[14]等新技術(shù)研發(fā)和商業(yè)化發(fā)展。
