核能：谁，什么，在哪里，何时，为什么？

可持续性 核能：谁、什么、哪里、何时、为何？ 关键要点 • 如今，商业核能——在核反应堆中产生——由裂变提供动力：即大型铀原子分裂成小型原子。目前，美国主导核能生产，拥有规模最大的反应堆机组。然而，中国是新反应堆建设的推动者，目前有15座反应堆正在建设中。 • 根据美国银行全球研究，鉴于电力需求激增，核能近期在诸多方面被“重新发现”。与其他能源相比，它提供可靠的基础电力、更小的碳足迹以及更高的能源投资回报率。 • 本深入探讨核能的文本，探讨了五个基本问题的答案：谁生产核能？；核能是什么？；核电站选址何处？；核能需求何时起飞？；以及为何要发展核能？ #1 谁生产核能？如今，美国拥有全球规模最大的核电站舰队。若将中国和法国计算在内，这三个国家每年生产的核能超过1,500万亿瓦时（TW h）——占全球核发电总量的58%（见图1）。然而，世界其他地区正努力迎头赶上。 根据世界核能协会及美国银行全球研究部门的数据，截至2023年5月，全球共有437座在运核电机组。当时，另有60座核电机组在建，100座计划中（分布在全球17个国家），以及325座已提议（分布在全球31个国家）。若这些核电机组顺利建成，全球核电机组数量将超过900座，实现翻倍有余。 但尽管美国目前拥有规模最大的核动力舰艇，根据美国银行全球研究机构的报告，中国现已成为核反应堆建设的推动者——目前有15座新反应堆正在建设中。然而，加拿大和澳大利亚等 additional 国家是铀等关键原材料不可或缺的供应商。 #2 什么是核能？商业化核能——在核反应堆中产生——是通过裂变产生的：将大型铀原子分裂成较小的原子。这种裂变的副产品是热量， 它将水煮沸产生蒸汽，蒸汽驱动涡轮机发电。 然而，根据博鳌全球研究，值得注意的是，另一种核能——聚变（即将轻原子核结合以释放能量），正作为裂变的一种更清洁、更强大的替代方案被积极研究，尽管它尚未实现商业化。 铀：核能的第一基石铀是自然界存在的元素，通过裂变作为核能发电的主要燃料。据估计，地球地壳中含有35万亿吨这种元素，尽管其在全球范 围内分布不均。如今，三分之二的铀产量来自三个国家：哈萨克斯坦、加拿大和澳大利亚（图2）。仅澳大利亚就拥有170万吨的储量，占已知铀矿储量的近30%。美国约64%的铀供应来自这三个国家。 核能对铀矿资源具有“垄断”地位，因为地球上开采的铀矿有99%用于这种发电方式（相当于全球电力发电量的约10%）。因此，根据高盛全球研究，全球电力需求驱动着市场对铀的需求，该需求包含两个组成部分：当年燃料需求以及库存积累。高盛全球研究预测，在2030年代，铀矿市场将出现失衡，因为总需求将持续增长——在全球电力需求激增的背景下——而供应却在下降（图3）。 图2：澳大利亚、哈萨克斯坦和加拿大的铀矿储量超过50%。 附件3：根据美国银行全球研究部（BofA Global Research）的预测，铀市场可能会出现失衡。 到2035年的铀供应/需求预测，百万磅 核燃料循环铀必须经过几个过程——称为核燃料循环——才能在核反应堆中使用（见附图4）。该循环始于采矿和磨矿，将地下的铀矿石 开采出来并加工成一种名为“黄饼”的浓缩粉末。然后，将这种材料转化为六氟化铀（UF₆）气体，这是进行浓缩所需的形态。 富集步骤对整个过程至关重要，因为天然铀矿中仅含有约0.7%的铀-235同位素（该同位素维持核反应）。在富集过程中，铀-235的浓度会增加至约3-5%，用于标准反应堆燃料，称为低浓铀（LEU），或高达20%，用于先进反应堆所使用的高浓低浓铀（HALEU）。富集后，铀被制成固体燃料组件——专门设计的棒状或颗粒状燃料，以满足每个反应堆的独特规格。 一旦燃料准备就绪，它就会被装入核反应堆，在那里发生裂变。在这一过程中，铀原子分裂，释放出热量，将水变成蒸汽。蒸汽驱动涡轮机，涡轮机发电。燃料用完后，就变成“乏燃料”，它具有高度放射性，必须妥善储存。其中部分乏燃料可以再处理，但剩余的废物需要特殊处置，使得废物管理成为该循环中最复杂的部分之一。 铀浓缩 (LEU) 与高浓缩铀 (HALEU)低浓铀（LEU）和高浓低浓铀（HALEU）是通过 enriching process 制造的两种核反应堆燃料。LEU是指铀被 enriching 至 U-2 35 同位素的浓度在 3-5% 之间，而 HALEU 的浓度则可在 5-20% 之间。目前，标准反应堆——例如美国的轻水反应堆——使用LEU，而先进反应堆则需要 HALEU。 根据美国能源部（DOE）的数据，与低浓铀（LEU）相比，高浓铀（HALEU）具有更长的运行周期、更高的燃料效率以及更少的废物（见展位5）。然而，截至目前，几乎所有商业化规模的高浓铀生产都发生在美国境外。为应对这一问题，美国能源部于2020年设立了高浓铀可用性计划，旨在确保为先进反应堆的研究、开发和商业应用提供国内供应。 图5：HALEU的主要优势是设计更小、运行周期更长、燃料效率更高以及废物更少。HALEU的描述 钍：铀的替代品……？ 钍是一种核反应堆燃料，美国在20世纪60年代对其进行了研究，但最终在20世纪70年代/80年代因核发电停滞而被搁置。目前，全球仅有一座钍反应堆在运行，位于美国境外。然而，随着核发电再次增长，根据美国银行全球研究，该技术正重新引起关注，因为它能提供铀的替代选择，并具有更大的国内供应潜力。 然而，钍与铀略有不同。它没有易裂变同位素，因此必须被转化为另一种能发生裂变的材料。虽然钍可用于大多数类型的反应堆，但这尚未实现，主要是因为铀的供应已足够充足。 因此，根据美国银行全球研究机构的分析，在短期内，核燃料供应将明显由铀主导。然而，从长期来看，钍有可能成为一种可行的替代选择——作为实现燃料多样化和供应延长的手段。 #3 核电站选址于何处？所有核电站，无论规模大小，都需满足一些共同的选址要求：1）应急规划区的空间；2）电力输送的接入；3）冷却用水；4） 靠近终端用户；以及5）获得当地社区和监管机构的支持。这些因素共同决定了反应堆的建造地点。美国能源部建议，新的核电机组应选址于现有设施旁边、退役核电站的厂址，或与已退役/正在退役的燃煤电厂相关的棕地。 传统的大型核电站输出功率较高（700+兆瓦电(MW(e)），但需要大量土地——约500英亩，根据许可要求还需划定约20,000英亩的应急规划区。虽然听起来面积很大，但这仍小于其他能源（如风能）产生同等功率所需的土地面积（详见问题#5）。 小型模块化反应堆（SMR）（一种先进核裂变反应堆）则发电量较小（300兆瓦电），且体积紧凑得多。这类反应堆仅需35英亩土地，另需50英亩用于安全规划。这种较小的占地面积为选址开辟了新的可能性：SMR可以建在退役的煤电厂址上，与现有核电站并列，甚至与其他工业用地项目（如数据中心）共同建设——欲了解SMR的其他优势，请阅读我们的出版物：《小型模块化反应堆问答速览》。 #4 核能需求何时会起飞？全球电力需求正在增长——根据国际能源署2024年世界能源展望，预计到2030年，交通、工业、供暖和技术的电气化将需要大 约7000太瓦时的额外电力（我们）。这超过了美国的年能源需求，我们也在我们的出版物《量子飞跃与跨越》中讨论了这一点：欧盟合计。因此，我们需要解决一个关键问题：如何满足这激增的能源需求？ 截至2023年，清洁能源来源主导了新增装机容量；然而，为了满足不断增长的电力需求，将需要多种能源发电方式（图6）。根据美国银行全球研究，如果没有支持性的政府政策或新能源资源的技术突破，现有的化石燃料和核能资产仍将至关重要——根据彭博新能源财经的基本情景预测，到2030年将占发电总容量的33%，到2050年将占22%。 在此背景下，对核能的需求正在增长。在许多方面，核能已被“重新发现”，其兴起得益于人工智能/数据中心、建筑电气化、工业增长和电动汽车的普及。事实上，美国银行全球研究 预计全球核电装机容量将从今天的442吉瓦（GW）增长到2040年的683吉瓦，这意味着未来15年将保持每年+3%的复合年均增长率（CAGR）。这表明每年将需要大约18吉瓦的新建装机容量（见展位7）。分析师认为，鉴于近期扩大资源的承诺以及政府支出计划的支持，美国和中国将是推动这一核电容量增长的主要力量。 附件7：摩根大通全球研究预计，2025年至2040年期间，每年将新增18吉瓦核电，其中大部分为大型核电站，而小型模块化反应堆（SMR）的建设将从2035年开始加速（预计2025年至2040年期间将新增约50吉瓦）全球核电装机容量预测 #5 为什么是核能？可靠性：在发电方面，可靠的基荷电力——为满足电网需求而必须持续供应的最低电力水平——至关重要。核电站的可靠性 极高，平均93%的时间能发电，而天然气和煤炭分别只有57%和40%（见第8页图表）。风能和太阳能等可再生能源则更具波动性，发电时间分别为35%和25%。 这项措施的技术术语是“容量因子”。它表示在特定时期内实际产生的电量与若发电厂始终满负荷运行所能达到的最大潜在产量的比值。例如，如果一个太阳能装置的最大容量为100兆瓦时（MWh），但平均仅生产25MWh，其容量因子为25%。 这种容量因子的差异解释了为什么低值技术难以提供稳定电力。核电站提供稳定的输出，而太阳能和风能则波动显著（图9）。为了弥补这些波动，可再生能源需要要么配备备用电源（如天然气或煤炭），要么采用储能解决方案，例如锂离子电池。 •成本：行业研究显示，在考虑效率、存储需求、传输成本以及其他广泛的系统成本后，核电站是成本最低的能源来源之一。 核能的初始资本成本很高，但其能源回报率（EROI）衡量结果显示，其能源回收能力超过了竞争性能源来源（即煤炭和天然气）。 • 排放：核能是所有电力来源中碳排放最低的之一，其生命周期材料使用和土地占用也最低。在评估生命周期温室气体（GHG）排放时，核能也是最清洁的能源来源之一（见表10）。生命周期排放涵盖了为组装特定能源来源、将其运输至现场以及在其耗尽后处置所产生的污染。由于这三个因素，核能在总体上具有吸引力： 材料：可再生能源在使用时不会被耗尽（太阳能电池板捕获能量时，阳光并不会减少），但风力/太阳能/电池容量的建设需要大量的混凝土和开采的稀土金属。核电站每产生1太瓦时（TWh）的电力，大约需要900吨水泥、混凝土和玻璃，而太阳能发电产生相同能量输出则需要超过16000吨材料。 寿命：通过适当的维护，核电站可以运行40至100年。另一方面，太阳能电池板和风力发电场在20至30年后需要更换。因此，在核电站的运行寿命期间，一个太阳能发电场可能需要更换五次之多。 土地利用：一座1000兆瓦的核电站需要1.3平方英里土地，大约是中央公园的面积。而同样规模的太阳能电站则需要45至75平方英里土地，分别相当于布朗克斯区或布鲁克林区的面积。一座1000兆瓦的风电场则需要260至360平方英里土地，相当于纽约市五个区的总面积。 • 安全： containment 和工程方法多年来已取得显著进步，有助于降低运营风险。采用回收技术后，一座1000兆瓦的核电站每年仅产生3立方米的高放射性废物。长期处置仍是一项挑战；然而，根据美国银行全球研究，目前约90%的废物无需长期储存即可安全管理。展望未来，随着核能在未来几年扩大，将有机会进一步发展和实施更完善的可持续废物管理解决方案。 • 公众舆论：Bisconti Research 对1000名个人进行了调查，以了解美国公众对核能的看法。他们发现，到2025年，72%的受访者支持核能——比2024年的77%略有下降。总体而言，这一支持率远高于几十年前。1983年，只有49%的受访者强烈或某种程度上支持使用核能。 贡献者 美国银行研究所分析师 莉尼尔·哈斯凯 来源 披露 这些材料由美国银行研究所编制，仅供一般信息目的。在提及美国银行数据的范围内，这些材料并非旨在反映或表明美国银行的经营业绩、财务状况或表