GE日立：核电成本、创新必须成为无碳未来的关键

核能作为脱碳世界关键支柱的未来将取决于其对快速变化的适应能力，但该领域必须关注成本、结果的确定性、可靠性和经验，以巩固其在转型后的作用，通用电气日立核能 (GEH) )总裁兼首席执行官杰伊·威尔曼(Jay Wileman)在专访中告诉POWER杂志。

虽然全球现有的超过400吉瓦的核电站已经发挥了重要的能源安全作用——提供负担得起的稳定电力，在很大程度上不受燃料市场价格波动的影响——但有必要扩大规模以支持具有气候意识的能源目标，但挑战是多方面的，Wileman 说。

首先，它需要通过最大限度地提高寿命输出和使发电以外的商业应用多样化，使世界上已安装的 450 座反应堆保持在线。“如果你失去了这个安装基础，你就会在实现碳目标的道路上倒退几十年，”他说。

第二种途径是采用“一流”技术建设新核电，重点是技术创新，以降低建设成本和进度，并确保运行的可靠性和安全性。“从历史上看，核能被认为非常昂贵，其特点是项目持续时间长和不确定性，”Wileman 说。

但他建议，作为平行途径，政府还应资助研究、开发和示范项目，以鼓励早期采用小型模块化反应堆 (SMR) 和先进反应堆。他说，私营部门也在开发创新以实现在降低成本和复杂性方面发挥作用，推动降低每兆瓦的投资成本。

必须采取紧急行动

在最近世界舞台上呼吁采取紧急行动应对气候变化之后，Wileman于 6 月接受了POWER 的采访。5 月，在气候变化领导人峰会期间，政策制定者警告世界各地的经济体将总碳排放量减少到净零的时间还不到30年。在5 月 17 日发布的具有里程碑意义的“路线图”中，国际能源署 (IEA) 强调了核能在未来无碳系统中的关键作用，建议到 2030 年核电装机量应该增加 40%——需要增加高达 30 吉瓦的新核容量——到 2050 年增加一倍。本月早些时候, 七国集团 (G7) 领导人承诺加速摆脱有增无减的煤炭产能并在电气化方面取得更多进展。

12 月 12 日，世界核工业协会在一份联合声明中严厉警告说，在没有新投资的情况下退役核电站将是“世界历史上最大的清洁能源损失”。他们表示，如果没有新项目，“20 年内全球将有超过 100 吉瓦的核电装机退役”。

2007 年成立的 GEH 联盟是 GEH 和日立科技集团之间成立的联盟，负责领导 GEH 的 Wileman 指出，GE 和日立都在率先开展气候领导计划。通用电气于 12 月全面承诺应对气候变化，6 月特别发布了一份立场文件，强调其蒸汽动力业务在支持核能方面的协同作用。

正如 GE Steam Power 项目高级主管 Frédéric Wiscart 告诉POWER 的那样，GE 的蒸汽轮机技术已经在全球 50% 的核电站中运行，为全球电网生产 200 GW。该商业集团于 9 月宣布将退出新建煤电市场，“显然看到开发商、客户和政府的心态发生了变化”，支持扩大核能在气候中的作用，他说。

Wileman 说，总部位于北卡罗来纳州威尔明顿的 GEH 是一家核心业务包括燃料技术和核服务的现代化公司，与此同时，对其 SMR 和先进核产品的兴趣激增。该公司已经开发了 BWRX-300 SMR，GEH 项目最早可以在 2028 年部署它，但它也是核心团队的一部分，与 TerraPower 一起，该团队正在带头演示Natrium 设计，可能在怀俄明州，在美国能源部 (DOE) 的先进反应堆示范计划下的未来七年内。

BWRX-300 是一个 ~300 MWe 的水冷自然循环小型模块化反应堆 (SMR)，带有被动安全系统。“作为沸水反应堆 (BWR) 的第十次演变，BWRX-300 代表了自 GE 于 1955 年开始开发核反应堆以来最简单但最具创新性的 BWR 设计，”GEH 说。来源：GEH

BWRX-300 的广阔前景

GEH 展示 BWRX-300 SMR 的前景尤其受到鼓舞时，安大略发电公司 (OPG) 去年恢复了最早于 2028 年在安大略省克拉灵顿的达灵顿核电站建造 SMR 的计划活动——加拿大唯一拥有为未来的新核开发准备许可证，并完成并接受环境评估 指示性时间表假设加拿大核安全委员会将在 2024 年之前颁发建造许可证，并在 2027 年之前颁发运营许可证。

10 月，OPG选择了三个 SMR 开发商：GEH、Terrestrial Energy 和 X-energy ，开始了该项目的高级工程和设计工作。尽管OPG 最近表示尚未“绝对决定成为这三者之一”，但它预计会在今年年底挑选一家供应商。

“我们非常适合该法案，”威尔曼告诉POWER。“我认为我们必须向 OPG 展示我们带来了什么——不仅是最好的技术，而且是确定性。我们带来了我们所有的经验。我们带来了我们的合作伙伴关系——因为在您建立这些时，它们与您的客户建立了 60 年、80 年、100 年的合作伙伴关系。” 虽然 GEH 也已经在加拿大开展业务并且可以“本地化”，但它已经提出了一个经济案例，表明其第一个 SMR 在制造和建设阶段可以在安大略省创造超过 10 亿加元的国内生产总值影响。

与此同时，GEH 正在波兰率先开展 BWRX-300 的潜在部署应用，特别是与合成橡胶制造商和该国最大的化学原材料生产商之一 Synthos SA 合作。“显然，我们正在与爱沙尼亚、捷克共和国、英国和日本进行谈判，并密切关注我们的合作伙伴日立，”他说。“所以有全球利益，但我认为近期是加拿大和美国”

正如 Wileman 解释的那样，BWRX-300 的一个关键卖点是它努力降低建设成本和进度。他说，SMR 和蒸汽轮机设计可以在工厂中建造和组装，采用改进的施工方法，并作为模块运送到现场，降低每兆瓦的投资成本。

GEH 估计，与 GEH 的大型经济简化沸水反应堆 (ESBWR) 设计(BWRX-300 的来源)相比，BWRX-300 SMR 设计还使工厂布局的体积减少了约 90% ，以及与大型反应堆相比，每兆瓦的建筑材料估计减少 50%。“建设成本和进度优化的其他机会包括隧道行业的竖井施工技术和第二代钢-混凝土复合模块的使用，”它说。同时，其 ESBWR 技术根源和整体隔离阀设计简化了许可，使设计能够更快地满足关键监管里程碑. Wileman 说，SMR 设计还使用了由 GE 牵头的与日立的合资企业 Globalnuclear Fuel (GNF) 制造的现有燃料设计，它受益于经过验证的组件和供应链风险。

“我们的目标是低于 3,000 美元/千瓦，资本成本约为 10 亿美元——这在我们一些客户的资产负债表上比今天在美国进行的一些建设更可行，”他说。他说，所有这些都使 BWRX-300 成为“风险最低、成本最具竞争力和上市速度最快的 SMR”。

核能的新途径

Wileman 指出，正在开展大量工作，将核电重新设想为不仅是可调度的电力，而且是热能和化学品生产，从根本上使其输出多样化。他指出，核能未来成功的关键在于其提供基荷发电以外的价值的能力。例如，灵活性是一个核心问题，正在通过 Natrium 设计中的熔盐储存来解决，他说。

钠系统设有一个345兆瓦反应器，并且可以针对特定市场进行优化。例如，其创新的热存储有可能在需要时将系统的输出功率提高到 500 兆瓦，持续时间超过五个半小时。来源：TerraPower

“氢气生产将是关键。我可以看到 BWRX-300 同步得很好，为使用氢气运行的 GE 联合循环燃气轮机的前端供电，”他说。“我可以在波兰或斯堪的纳维亚地区看到我们在进行工业加热。”

然而，正如 Wiscart 指出的那样，一些关键的技术方面仍然需要解决。“SMR 的涡轮机更接近我们所知的小型燃煤发电厂的涡轮机。但我们仍然需要在材料方面专门为 SMR 开发这种涡轮机，因为蒸汽压力和蒸汽温度条件与燃煤机组不同，”他说。“技术发展正在进行中，例如，我们正在努力为加拿大项目做好准备。”

目前，通用电气蒸汽动力预计大型核电站市场的机会将继续蓬勃发展。GE 的新立场文件预测，未来 10 年新核电站的年需求将显着乐观，达到 10 吉瓦。

Wiscart 说，这些发电厂可能会取代老化的核能发电。在英国——所有目前运营的核电站(Sizewell B 除外)都将在 2030 年退役——3.2 吉瓦欣克利角 C 项目正在进行建设，而 3.2 吉瓦 Sizewell C 项目正在开发中。他说，在法国，EDF 正在探索用三对“现代、更强大”的 EPR2 反应堆替换旧的早期技术装置。然而，他表示，一些核能“新加入者”也在考虑重大项目，比如波兰和沙特阿拉伯，后者表示到 2040 年可以建立高达 17 吉瓦的装机容量。

Wiscart 建议，一种降低与大规模新建相关的开发成本的新兴方法是“建立并始终使用可重复的设计”。“Akkuyu 是土耳其的第一座核电站，包括四个相同的机组，采用 GE 的阿拉贝尔汽轮机，”他说。他说，提高机组的效率和可靠性也很重要。“今天，世界上最强大的汽轮机 [阿拉贝尔汽轮机] 正在中国的台山核电站运行，每台发电量达 1,750 兆瓦，”他说。但欣克利角C“有望打破这一纪录;这些机组的蒸汽轮机配备了一个 75 英寸的末级叶片，每台机组额外产生 20 兆瓦的功率。”

现有核能的潜在收益

至少就目前而言，正如 Wileman 和 Wiscart 所建议的那样，技术创新已经存在，可以提高现有船队的效率和产量。在现有机组中，这可能涉及通过汽轮机改造升级反应堆，这可能导致蒸汽流量增加，从而增加功率输出。Wiscart 表示，提高热功率额定值并改造典型的蒸汽轮机和发电机可以实现高达 20% 或更多的额外总功率输出。

他指出，自 1990 年代初以来，GE 沸水反应堆的热电升级运动“已经产生了相当于三个新的 1,500 兆瓦核电站的额外发电量”。他建议，即使只是简单地改造没有反应堆流量变化的典型汽轮机轴系，也可以额外增加 2.5% 到 4% 的总功率输出，并将主要汽轮机维护停机的时间延长至 6、8 或 12 年。对于寻求将运行许可证延长至 80 年的反应堆所有者来说，这些改进在财务上可能特别富有成效。

在燃料方面，燃料循环经济性也在不断提高。GNF正在 DOE 计划下探索容灾燃料 (ATF)，正在测试其新的 IronClad 和 ARMOR 技术方面取得进展。值得注意的是，去年 12 月，橡树岭国家实验室收到了第一根 GNF 开发的核​​燃料测试棒，该测试棒在南方公司的埃德温哈奇核电站使用了 24 个月。 Wileman 说，GNF 还在追求更高的铀浓缩度，以减少燃料负荷要求，减少乏燃料量，并将换料间隔延长至 30-36 个月。

数字化的重要影响

但也许过去十年发展中核能获得的最大推动力来自数字化。Wiscart 指出，核公用事业正在努力应对降低运营和维护 (O&M) 成本以保持竞争力的压力，现在可以使用资产绩效管理解决方案、预测分析和 O&M 流程自动化。与此同时，Wileman 提到了停运计划和分析 (OPA) 软件，该软件是 GEH 与 GE Digital 合作开发的，用于简化整个核燃料换料停运流程，包括计划、调度和执行。

Wileman 说，数字化也大大降低了 SMR 的成本。迄今为止，GEH 已根据美国能源部的高级研究计划署 -智能核资产管理的能源发电(GEMINA) 计划为 BWRX-300 创建了一个数字孪生体，该计划的目标是将 O&M 成本降低十倍。他说，麻省理工学院目前还签订了组装、验证和运行 BWRX-300 系统的高保真数字双胞胎的合同。

“如果您考虑 [核监管委员会] 在对这些设计的概率风险评估中试图实现的目标，您可以在使用该数字双胞胎展示您的安全案例方面做很多出色的工作，因此这确实有助于您通知您边走边设计，”Wileman 说。“另一部分是仪表和控制。工厂拥有带有传感器的系统，因此在那里也可以提高很多效率。”

Wileman 说，尽管有这些改进，但要充分利用现有和未来核电站在能源结构中的重要作用，还需要做更多的工作。一个关键方面是“确保我们每个人都参与其中，了解核能在这种碳环境中的价值。” 他说，这将需要讨论“核究竟是什么，不仅在碳案例中，而且在安全案例中，在就业案例中，在其 [经济] 影响中”，以及它在高等学习中的价值。

— Sonal Patel ， POWER 高级副主编