MIT报告《核燃料循环的未来》执行概要附言和第一章中文翻译Word格式文档下载.docx

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附录D.燃料循环选择的代际公平考虑

附录E.燃料循环技术状况

引言与致谢

2003年,MIT发表了多学科研究报告《核电的未来》。

其论点是，核能是低碳世界市场上的一个重要选项。

至少在今后的几十年内，降低电力生产二氧化碳排放的现实选项只有四个：

提高能源利用效率、扩大使用可再生能源如风和太阳能、化石燃料电厂通过煤炭转向天然气或过渡到捕俘与永久扣押二氧化碳以减少排放、以及核电。

该报告的观点是，所有选项都是必要的，从碳排放全面管理战略中排除四者中的任何一个选项都是错误的。

该报告检查了发展核电的各种障碍，提出了促进核电成为市场选项的一系列建议。

那个报告发表以来，美国和全世界发生了巨大变化，所以我们在2009年发表了《对2003年〈核电的未来〉的更新》。

由于对气候变化的担心急剧上升，许多国家对温室气体排放采取了各种限制，而且期望美国也在未来某时对二氧化碳排入大气采取限制。

今天核能提供着美国～70%的“零”碳排放电力，是电力部门降低温室气体排放的主要候选。

虽然目前全球经济不景气有所缓解，美国和全世界核电增长的预测值依然大幅上升。

在美国，有建造新反应堆的各种意向公告,27台机组提出许可证申请，8台提出联邦贷款保证申请，还有几个厂址在做前期准备。

然而直到2010年年中，美国尚未颁发新建工程建造许可证。

世界其它地方，特别是中国和印度，新机组建造已在加速。

此外，韩国通过与阿拉伯联合酋长国签署建造四座反应堆协议，成为全球传统核电装置供应商。

核燃料循环也有重大进展。

在美国，燃料循环政策仍处于混乱状态。

布什政府发起了各种规划，目标是商业上再循环乏燃料（SNF）中的易裂变材料制造新燃料组件,但没有得到国会的支持。

美国能源部（DOE）花费多年评价并提出许可证申请，要在尤卡山（YM）建造乏燃料和高放废物地质处置场。

但是现在奥巴马政府请求撤回申请。

在海外，日本的商业核燃料后处理厂开始运行。

芬兰和瑞典获得公众赞同，选定了处置乏燃料的地质处置场厂址。

因为境况有重大变化，我们承担的《核燃料循环的未来》研究更明确集中于对扩大美国核电规划有效的关键技术选择和这些选择的近期政策涵义。

我们感谢美国电力研究所（EPRI）以及爱达荷国家实验室、阿海珐（Areva）、通用电气-日立、西屋、能源发展（EnergySolutions）和核保险公司慷慨的资金支持。

研究背景

2003年MIT发表了多学科研究报告《核电的未来》。

其根本动因在于核电是目前提供美国约70%“零”碳的电力，是低碳世界市场的重要选项。

那个报告发表以来，美国和全世界发生的重大变化见我们2009年发表的报告《对2003年<

核电的未来>

的更新》。

对气候变化的担心还在上升：

许多国家对排入大气的温室气体采取了各种限制,而且期待美国也采取类似的限制。

全世界核电增长预测值急剧上升，而新电厂的建设已在加速，特别是中国和印度。

因为核电作为低碳选项的持续重要性，为实质上缓解气候变化的风险，可上规模地展开部署，即到世纪中叶全球部署规模可达1000GWe，所以进行《核燃料循环的未来》研究。

为使核电得以扩大，必须克服核电在成本、废物处置以及核扩散问题等方面的严峻挑战，同时保持当前卓越的安全和可靠性记录。

在相对短期内做出重要的决策对核燃料循环演进有深远影响——使用什么类型的燃料，什么型式的反应堆，辐照后的燃料发生了什么变化，有什么方法长期处置核废物。

本研究的目的就是通告这些方面的决策。

几十年来，未来核燃料循环的讨论，就是期望最终部署以钚启动快堆为基础的燃料闭路循环（闭环）。

然而，这个期望深植于一个过时的认识——铀供应不足。

我们重新检查燃料循环表明，还有很多更可行的燃料循环选项，但从中优化选择面临很大不确定性——某些是经济上的，如选择先进堆；

某些是技术上的，如废物管理的涵义；

而某些是社会的，如核电部署的规模和核扩散风险管理。

假定对工艺技术替代选项进行了必要的研究而且全球共同应对气候变化风险，今后几十年内这种不确定性会变得更清晰。

我们研究的关键启示在于，通过继续开式燃料循环、实施轻水堆乏燃料储存托管制度、开发一地质处置场并研究技术上适宜的一系列未来核能备选方案，我们能够而且应当保留燃料循环选择的选项。

研究结果和建议

核电作为未来重要的能源选项，生存能力关键取决于它的经济性。

虽然核电厂运营成本低，但机组本身基建成本高。

由于担心建设新核电厂存在财务风险，目前这方面被更高的融资建造成本放大了。

对于美国新的基荷电力，核电厂的平准电价很可能高于新燃煤机组（没有二氧化碳捕俘与扣押）或新天然气机组。

消除融资风险溢价将使核电平准电价优于煤电，而征收适度的二氧化碳排放税还会使核电低于煤电。

与天然气相比，以过去十年大部分时间的天然气燃料价格特点看，这也同样是正确的。

根据这种分析，在2003年我们就建议对首批新建核电机组提供财政激励。

自2005年美国先行机组的激励措施就已到位，但执行起来非常缓慢。

建议

为示范证明美国目前条件下建设新核电机组的成本，并以良好的业绩消除融资风险溢价，应当加速实施先行机组激励程序。

该激励程序不应扩大到先行机组（最初7-10台机组）以外，因为我们相信核能应当像其它能源选项一样，可以在开放的市场上竞争。

燃料循环

至少本世纪大部分时间不缺少铀资源，不会约束将来建造新的核电厂。

某些国家正用混合氧化物燃料在轻水堆内做有限再循环，但其扩大资源和废物管理的利益极小。

有科学合理的方法管理乏燃料。

今后几十年内利用轻水堆（LWR）一次通过燃料循环是美国首选的经济选项，而且很可能是本世纪大部分时间美国和其它地方核能系统的显著特征。

改进轻水堆设计提高燃料资源利用效率、降低未来反应堆装置的成本，应当成为研究与开发的重点。

乏燃料管理

以相对小的代价长期托管储存，保留未来乏燃料利用的各种选项。

保留各种选项很重要，因为无论认为轻水堆乏燃料注定是直接地质处置的废物或者未来燃料闭环的有效燃料资源，重大不确定性的解决方案终归要确定（美国核电部署的轨迹、新反应堆和燃料循环工艺技术的有效性和成本）。

燃料循环政策辩论中，低估了保留未来燃料循环选择中各种选项的价值。

可以在运行反应堆现场、集中储存设施或可回取性设计的地质处置场（集中储存的备选方式）安全地进行托管储存。

乏燃料长期托管储存规划——约100年——应当成为核燃料循环设计的重要构成部分。

尽管相信在此期间托管储存是安全的，仍应致力于研究与开发（R&

D）计划，以证实并扩大安全储存和运输周期。

百年储存的可能性比预期的核反应堆运行寿期还长，暗示美国应当转向集中乏燃料储存场——从退役反应堆现场运出乏燃料开始，支持一个长期的乏燃料管理战略。

这样做的额外好处是分解联邦政府未能从1998年开始转移反应堆现场乏燃料的责任。

至少乏燃料的某些长寿命组分要求永久性地质隔离，因而需要着手系统地开发一地质处置场。

2003年MIT报告的结论即长期地质隔离的科学基础，仍然正当合理。

在美国，乏燃料和长寿命废物地质处置场选址仍然是个巨大挑战。

美国和欧洲规划的失败和成功暗示，核废物管理组织应有以下特征：

（1）有权与州和当地政府合作选址，

（2）有权管理核废物处置资金，（3）有权与设施业主商议乏燃料和废物搬迁，（4）与决策和监管机构商定影响放射性废物流性质的燃料循环选择，（5）管理机构的长期连续性。

到目前为止，美国的规划还没有这些明确的特征。

成功的废物管理规划之关键要素是以科学决策为基础的一惯性原则。

我们建议设立新的、半官方的废物管理机构，执行国家废物管理规划。

燃料闭环设计一直关注的是所要返回反应堆的物质，但未关注如何管理废物。

我们建议

（1）把废物管理与燃料循环设计整合在一起，

（2）在废物管理中有支撑性研发计划，使燃料循环与废物管理决策充分耦合。

一个重要发现是，美国的许多放射性废物是按来源而不是按危害分类。

这已造成废物处置路径的缺陷，而且这个问题还将随着备选的燃料循环而加剧。

我们建议采用综合风险预知的废物管理系统，所有废物按其成分分类并按风险规定处置路径。

未来的核燃料循环

选择核燃料循环（开环、闭环或乏燃料有限再循环即部份闭环）取决于

（1）我们开发的工艺技术，

（2）社会目标权衡（安全、经济、废物管理以及防核扩散）。

一旦做出选择，将对核电发展有巨大而极其深远的影响。

目前我们还没有足够的知识对最佳循环和相关工艺技术做出明智的选择。

对于到2100年的核电持续增长方案，在燃料循环选择方面，我们对备选燃料循环分析得到几个至关重要的结论：

□转变燃料循环需要50-100年；

□本世纪内超铀元素累积或铀需求总量差别很小；

□对标准钚启动燃料闭环而言，本世纪仍需许多轻水堆来满足核电增长方案。

一个重要发现是，能够充分利用铀和钍资源、可持续的燃料闭环并不需要转化比（生产的易裂变材料除以初始堆芯内的易裂变材料）极高的反应堆。

转换比～1是可接受的，而且开辟了如下备选燃料循环途径：

□完全不同的反应堆选择。

如硬谱轻水堆而不是传统的快堆燃料闭环，有重要的政策涵义，而且很可能成本较低。

□用低浓铀启动快堆而不是高浓铀或钚，从而排除燃料闭环启动需要的轻水堆乏燃料后处理。

如果在今后为部署的需要做出放弃开式燃料循环的决择，我们现在依然还有充分的时间。

然而，有许多可行的技术选择需要加以检查，而且在核电业务方面确定新的商业选项所需时间很长。

因此，现在就要大力着手所需的研发，使备选燃料循环在本世纪中叶成为可能的选项。

今后几年要全力以赴地着手创新型的反应堆和燃料循环综合系统研究和实验，确定可行的技术选项、规定何时需要做出决定的时间安排，并挑选有限的一套选项作为前进的依据。

防核扩散

核扩散的核心是制度性挑战。

民用核电燃料循环是通往核武器材料的几条路径之一。

浓缩设施和/或后处理能力有核扩散问题，而且不是小规模反应堆规划的经济选择。

不过，有保证的燃料供应对于那些着手开始核能发电的国家十分重要。

对许多国家，废物管理会成为巨大的挑战。

对有小规模核能规划的国家，美国和其它核供应集团国应当积极追求燃料租赁选项，为放弃浓缩提供财政刺激，对先进堆进行技术合作，为乏燃料退还供应商国内构架提供乏燃料管理，并恪守租赁燃料定期可再生选项（或许10年）。

研发与验证示范（RD&

D）

任何重大新型核技术的研究、开发、验证示范、颁发许可以及上规模的部署都需要几十年时间。

如果美国有良好的燃料循环选项，想适时做出明智的战略性的燃料循环选择，则必须执行一个强健的、与核电实质性增长可能性保持一致的研发与验证示范（RD&

D）规划。

能源部的2010年路线图相对政府的原计划有显著改进。

优先顺序建议

□提高轻水堆的性能，开发先进的核燃料。

□相对过去的几十年，追求更加宽泛的一整套乏燃料储存和核废物处置选项。

□有能力开发技术选项、理解选项间折衷方案的建模与仿真。

□创新的核能应用和概念，包括提供工业应用工艺供热和模块化反应堆开发。

□重建支撑性研发基础设施，如材料实验装置和其它关键设施，使创新燃料循环和反应堆研发成为可能。

我们估计，支撑性研发和基础设施项目的拨款约为每年10亿美元。

在适当时机大规模的政府-工业示范工程还需要额外提供资金。

在本报告的最后编撰阶段，9级地震与伴随的海啸不幸于2011年3月11日袭击了日本。

因此，福岛第一核电站的严重后果未纳入本项研究。

报告中陈示的燃料循环选项分析依然成立，但在美国和其它国家就核电未来的国家论述仍须留有余地。

我们在讨论乏燃料管理和燃料循环选择时的一个重要主课题就是保留各种选项的重要性，这一点因前进道路的不确定而变得更加显著。

调研和充分了解福岛反应堆和乏燃料水池事件的进程还得需要些时间。

美国核管会需要重新检查美国运行反应堆的安全系统、运行规程、监管部门的监督、应急响应计划、设计基准威胁以及乏燃料管理协议。

三里岛事故和9.11世贸中心袭击余波中，某些问题已得到解决，因此美国核电厂应对许多事故情景更坚强，应急响应准备也得到改进。

对各种质询的答案，本报告出版时还尚不得而知。

尽管如此，在美国，似乎可能有如下一些影响：

□现在运行中的和未来的核电机组的成本很可能上升。

例如，现场乏燃料管理的要求可能增加，设计基准威胁也许会提高。

尽管美国申请许可证程序中已经考虑了某些超设计基准事件，其重要性可能会更大。

正如本报告讨论的，新机组经济性已经很有挑战性。

此外，近年来建立的公众对扩大核电规模的接受度可能会受到一些侵害。

□老核电机组运行40年后再延寿运行20年将面临更多的详细审查，审查结论取决于机组可能在何种程度上满足新的要求。

美国104台运行的反应堆中60多台已经获得延长许可，但某些反应堆的确有可能要重新审查。

这可能不会影响60年寿期预期的新机组（更多依靠非能动安全系统）。

我们的燃料循环分析考虑了目前和未来核电机组的60年运行寿期。

□由于福岛燃料储存池的经历，整个乏燃料管理体制——现场储存、统一长期储存、地质处置——很可能要用新的观点重新评估。

我们认为，乏燃料储存是美国核燃料循环政策的“事后诸葛亮”，而且是乏燃料从反应堆现场转向统一储存和处置的推动力。

□与我们的许多建议一致，研发计划可能出现重大转向，更加着重于：

提高现有轻水堆的性能和延寿；

增进安全裕度的新材料；

干式屏蔽容器延长储存期；

预防或缓解严重事故的先进技术；

以及对多重异常事件下的机组性能进行更好的仿真。

如何解决以上这些以及其它的福岛后的难题，将对核电的未来、对支持未来核电需要之燃料循环选择的优化有重大意义。

我们希望这个报告在今后几年间能为公方和私方的决策过程提供建设性的意见。

2011年4月

第一章核燃料循环的未来—综述、结论和建议

2003年，麻省理工学院（MIT）发表了《核电的未来》研究报告。

那个报告的重点是核电作为减少温室气体排放重要选项的作用。

该报告的一个重要结论是，“在解除管制的市场上，核电目前还没有与煤电和天然气发电可比的成本竞争力。

核工业也许可以降低基建成本、运行与维修费用及建造时间来减小其差距。

如果政府颁布执行碳排放配额，核电将会有成本优势。

”主要的建议是，美国政府应当对最初的少数新建核电机组提供帮助。

该建议的基础是需要在未经试验的监管体制内运营，政府未能开始从反应堆现场运出乏燃料，以及公众理解美国新核电机组作为气候变化风险缓解战略组成部分的利益。

如果能按时、按预算成功地建造核电机组，就有机会减少或消除不菲的融资风险溢价。

2003年以来，致力解决气候变化的紧迫性日益增加。

美国国会甚至采用一整套鼓励措施，帮助建造先行核电机组，政府还建议扩大这种激励措施。

预期的核电发展中出现了世界性的增长，而在少数几个国家如中国，在建的新核电机组数量有很大增长。

在核能有可能显著增长的背景下，我们承担《核燃料循环的未来》研究课题，涉及两个至关重要的问题。

■有哪些长远的令人满意的燃料循环选项？

■对近期政策选择有什么涵义？

我们的分析得到三个内容宽泛的结论，其基础就在这一章和主体报告中。

结论

今后几十年内，轻水堆、一次通过式燃料循环仍是美国优先的选项。

轻水堆“一次通过”或称开式燃料循环并需要管理乏燃料，很可能是本世纪大部分时间里美国和其它国家的核能系统的显著特征，这是现今最经济的首选。

至少本世纪大部分时间并不缺少铀资源，不会限制未来建造新核机组的计划，而且有科学合理的方法管理乏燃料。

规划乏燃料长期暂存—-约一个世纪-—应当成为燃料循环设计的一个主要部分。

这将有益于废物管理并为未来燃料循环的决策提供灵活性。

未来燃料循环的决策将受到未来核电发展规模和步伐的强烈影响。

从长远看，有许多可行的燃料循环选项，在经济、废物管理、环境、资源利用、安全与保卫、以及防止核扩散等方面各具不同的的利益和挑战。

需要重大的研究议程安排，来探索、开发和论证先进技术，直至能够预知未来的市场和政策选择。

历史上曾经假设，燃料闭环的途径包括回收轻水堆乏燃料的钚，并用这种钚启动高转换比的钠冷快堆。

转换比为从反应堆内丰富的可增殖材料生产易裂变燃料的速率除以易裂变燃料消耗的速率。

转换比大于1意味着生产的易裂变核燃料比消耗的多。

这个前景基于两个假定：

（1）铀资源极其有限和

（2）只有高转换比才能满足未来的需求。

我们的评估结论是，两个假定都错误的。

■我们的分析得出的结论是，转换比为1是长期可持续燃料闭环的可行选项，而且有许多优点：

（1）能利用所有的易裂变和可增殖资源，

（2）易裂变燃料流最小—包括后处理厂的吞吐容量，（3）有许多反应堆选项，不是单一的快堆选项，（4）其他所期望的特征如删除额外生产钚的再生区，核反应堆堆芯设计有更宽的选择。

某些这样的反应堆选项显然可以有更好的经济、防止核扩散、环境、安全与安保，以及废物管理的特征。

在必须做出巨大投资决策前，还有时间进行研究、开发与验证（RD&

D）来评价各种选项。

由此带来的必然结果是：

■如果实际的选项要在几十年内具体化，我们必须有效地利用有限的时间。

这个结论将产生重大后果。

例如，未来燃料闭环有可能以先进的硬谱轻水堆为基础，而不是采用传统的快谱堆，在成本和燃料型式上都很大不同。

或者也可把现在的轻水堆乏燃料托运到地质处置场，而不再循环。

如此根本不同的技术途径，再次说明在今后几十年内保留各种选项的重要性。

调查结果

在适当的市场条件下，核电基荷发电有经济竞争力。

应当立即执行2005年美国已落实到位的先行机组激励措施。

我们更新的经济分析概述（MIT2009）见表1.1。

虽然美国核工业继续展示运行业绩有所提高，基建成本及其融资成本仍然有很大的不确定性，而后者是新建核电机组电力成本的主要成分。

表1.1不同选择的发电成本

平准化电力成本

隔夜成本

燃料成本

基准案例

瓦/碳税$25/tCO2

瓦/基建成本相同

$2007

$/kW

$/mmBtu

¢

/kWh

核

4000

0.67

8.4

6.6

煤

2300

2.60

6.2

8.3

气

850

4/7/10

4.2/6.5/8,7

5.1/7.4/9.6

核电成本由很高的前端基建成本驱动。

与之相反，天然气发电的成本动因是燃料费。

相对其它燃料，天然气价格反复无常；

因此，列出了一系列天然气价格。

煤电位于核电与天然气电之间。

美国1980年代和1990年代初期建成的核电机组，建造费用的业绩记录很差。

实际费用比预期高很多。

建设进度经历了长时间延误，再加上那时的加息，导致财务费用很高。

过去的经验教训是否能被未来机组建设所吸取，还有待观察。

这些因素对投资者融资建造新机组面临的风险有重大影响。

为此，2003年的报告和我们2009年的分析，对新核电机组建设的基建成本施加了较高的资本权重因子（10%），而新煤电或新天然气机组建设为7.8%。

降低或消除此风险溢价对核能发电的竞争力有重大贡献。

某些国家发生了建设成本和进度安排困难，但并非所有国家。

有融资风险溢价而无碳排放收费，核发电比煤电（不带碳扣押）或天然气（7$/MBTU）昂贵。

如果能消除风险溢价，核电平准化成本从8.4￠/kWh降低到6.6￠/kWh，即使没有碳排放收费仍可与煤电和天然气竞争。

有碳排放收费，核电或者具有与煤电或天然气发电的相对竞争力，或者成本更低。

对于有关各方，美国最初少数几台核电机组是严峻的考验。

只有通过示范建造成本和进度安排的业绩，才能消除风险溢价。

根据这些分析，我们在2003年曾建议对第一批新建的核电机组提供先行机组的财政激励。

在美国2005年以来激励落实到位的先行机组实施缓慢。

应当加速确定多台机组的建造成本和进度安排。

这种激励措施不应扩大到先行机组计划之外（即7-10台机组）。

铀资源

铀资源不会是很长时间的约束条件。

现在铀的成本只占电力成本的2-4%。

我们以世界十倍的轻水堆、每台轻水堆运行60年所需累计产量的铀开采成本进行分析，表明铀价格大概上升50%。

这样适度增加铀价格不会显著影响核电经济。

但是，考虑到铀资源对现有反应堆和未来核燃料循环决策的重要性，我们建议：

应当制定一个国际规划，以加强了解，使相对累计铀产量估算铀成本有更大的信心

轻水反应堆

轻水堆将是几十年内主要的反应堆选择，而且很可能是本世纪内占优势的反应堆。

缓解气候风险的任何战略中，扩大部署轻水堆应当是重要选项。

轻水堆是商业现成的技术，是目前最低价的核电生产选项。

能安全运行、大量建造，匹配任何可信的核电增长方案。

过去，其它堆型进入市场一直很慢，因为新技术试验和审批很费时间。

原来设想轻水堆的商业寿命也就40年。

现在超过半数的轻水堆已获得、预计其余大多数也能获得运行60年的延寿许可。

许多轻水堆甚至能运行更长时间。

同时，运行和技术上的改善提高了这些反应堆的功率输出。

美国曾在轻水堆上增加投入，而且很可能还会加大投入。

因为延长反应堆的寿命，就有时间改善轻水堆的经济、安全、防扩散特性，并改善燃料循环—包括可能可持续的转换比接近1的燃料闭环。

许多潜在的改善涉及先进燃料和相关技术，能使现有的和将来的轻水堆受益。

为了保护和增加对轻水堆的投资：

我们建议制定一个长期研发与验证示范（RD&

D）计划，进一步改进轻水堆技术。

美国历史上并没有考虑把乏燃料储存作为燃料循环政策的重要部分。

然而全世界都采用了在地质处置场处置前将乏燃料（或后处理的高放废物）储存40-60年的策略，以降低放射性和衰变热。

这就降低了地质处置场的成本和性能不确定性。

一些国家如法国采用部分燃料闭环，而瑞典采用开式燃料循环，为此，他们在几十年前就建造了储存设施。

未把长期储存作为乏燃料管理的构成部分，这对提议的尤卡山处置场（YMR）设计有很大影响。

由于乏燃料的热负荷，处置场必须通风，在冷却乏燃料的同时排出衰变热。

尤卡山处置场30年填充充满后，功能上变为地下储存设施，还需要再有50年的能动通风，然后再被完全封闭。

转变燃料循环需要半个多世纪。

美国很可能数十年以后才会部署后备燃料循环。

长期暂存有时间确保正常开发处置场，也有时间最终决定轻水堆乏燃料究竟是需要处置的废物，还是宝贵的资源。

由于多方面的原因，我们建议：

乏燃料长期暂存计划—时间长达一个世纪—应当成为核燃料循环设计的一个主要部分。

在建议世纪规模储存的同时，我们并不排除早些开展的核燃料后处理或地质处置，甚或技术许可条件下的更长期托管储存。

这些选项是保留着的。

世纪规模托管储存情况下，关键在于今后十年或二十年期间应当采取的决策。

（在反应堆现场）分散式储存、集中暂存或处置场内储存都是技术上可靠的。

这些选项间的选择由各种各样的技术、经济和政治因素决定。

选在运行反应堆现场储存乏燃料的负担很小，因为乏燃料从反应堆卸出后和运离现场前需要储存。

但就退役的现场而言，情况并非如此，那里已不再有正常的反应堆操作与乏燃料运转、储存和安全保卫；

乏燃料储存限制了这些厂址被用于其它目的（因为有水源和运输基础设施，这种厂址通常有发展的