核能与绿色发展探析

黄志军

(湖南节能评价技术研究中心，湖南 长沙 410006)

1 引言

能源、材料和信息被誉为当今人类社会发展的三大支柱，直接影响人类的生产生活，进入21世纪后，随着经济发展全球能源消费呈现增长趋势，能源问题已经成为国家发展的关键因素而备受关注，2018年全球煤、石油等一次能源消费增长2.9%，成为2010年以来增速最快年份[1]。2018年我国一次能源产量达37.7亿吨标准煤，同比增长5.0%，化石燃料能源占比81.8%；能源消费总量为46.4亿吨标准煤，同比增长3.3%，能源对外依存18.75%[2]。据不完全统计，2018年全球能源使用导致碳排放量增加2%，新增CO2排放6亿吨，化石燃料的急剧增加，导致温室效应加剧、生态平衡失衡及燃烧余热排入水体中造成的热污染，加剧了全球性气候问题。

为应对化石能源消耗所带来在全球性气候问题，2015年11月巴黎气候大会计划就气候问题达成具有全球一体约束力的协议，确保本世纪末全球温升不超过2 ℃，意味着在2060年到2080年左右化石能源退出能源消费的历史舞台。为此，积极开发新能源，提高新能源使用占比，减少CO2、NOx及SO2等气体排放，倡导绿色清洁发展将成为未来能源消费利用的发展趋势。

核能在民用方面广为熟知的便是核能发电，1942年著名物理学家费米在芝加哥大学建立全球首座可控核反应堆，自此人类进入原子能时代 ，核能利用为人类能源安全稳定供给问题提供了长远解决思路，作为一种清洁低碳、高能量密度的非化石能源，核能发电本身不产生CO2等温室气体。据国际原子能机构(IAEA)数据统计，截止到2019年6月，全球在运449个核电机组，装机容量390 GW，占全球发电量的10.15%，年减少CO2排放20多亿吨，在应对气候变化、环境保护挑战等方面，成为全球减碳的主要贡献者。

本文以火电、水电、核电、太阳能等不同能源发电模式为研究对象，从发电成本、运营安全性及环境保护等方面着手，研究探讨各能源链存在的优势与缺陷，为绿色能源发展提供参考建议。

2 不同能源链发电分析对比

当前能源结构下，主要有化石燃料发电、核电、再生能源发电等，据BP[3]报告，2013年～2018年全球电力生产结构及发电量如表1所示。

表1 全球电力生产结构统计/(TW·h)

结果表明，从2013年至2018年全球能源消费总量分析，以煤炭、石油等传统化石燃料生产电力在总发电量中的占比呈逐年下降趋势，但仍占据主导地位。可再生能源发电量占比呈稳步增长趋势，因水利资源开发利用已接近资源上限，水电发电量维持较平稳的水平，风电与太阳能等受政策导向支持增速较快。

核电是目前唯一可替代化石燃料发电的能源，因受2011年日本福岛核事故影响，增长呈放缓趋势，近年来受全球性气候问题及环境污染等社会问题加剧，核能重新纳入能源新议程，中国、印度等发展中国家均制定本国的核电发展规划。

2.1 碳排放量分析

因人类大规模燃烧化石燃料， CO2、N2O等温室气体排放量呈逐年上升态势，导致全球温度升高，其中CO2贡献度超过60%，碳排放量与全球性温室效应存在必然的正相关关系。世界核能协会(WNA)整理了近20年来各机构关于不同发电方式单位发电的碳排放量，如表2所示。

表2 不同发电方式所致碳排放对比

从上述数据中，同一能源单位发电及不同能源发电碳排放量均存在较大差距，可相差2个量级。从碳排放强度分析，燃煤、燃油、天然气等传统能源发电碳排放主要来源于化石燃料碳氧化，其单位发电碳排放量最高；核电及风电等能源运行发电过程中本身不排放CO2，因此，学界对核电与风电划分低碳排放具有较高共识。

综上，根据2018年全球不同能源链发电量及单位发电碳排放强度，研究分析不同能源发电所产生的碳排放量，分析结果如表3所示。

表3 不同能源发电模式下的碳排放量分析

结果表明，全球因发电产生的CO2排放量达到146亿吨，其中以化石燃料为能源的发电模式仍是全球电力生产碳排放的主要贡献者，碳排放量达到143.20亿吨，占比达到97.79%；可再生能源碳排放量2.01亿吨，对碳排放量的贡献达到1.38%；核电本身不产生CO2排放，碳排放量主要来源于附属生产设施、电力输送等环节，其碳排放量为7 834万吨，占比为0.54%。

2.2 安全性分析

核电厂核安全因使用具有放射性的核燃料及发生核事故时释放放射性物质备受公众及政府关注，为此本节将从两方面阐述煤电与核能发电的安全性，①分析煤电、核电等对公众受照剂量；②根据统计学方法研究，归一化不同能源造成的健康风险，结果[4]如表4所示。

表4 不同能源链安全性综合影响表

在公众及工作人员受照剂量方面，煤电所致公众辐射照射剂量为420人·Sv(GWa)-1，是核电的50倍，对工作人员剂量90人·Sv(GWa)-1，为核电的10倍；根据统计学方法统计得到煤电归一化健康风险为35人(GWa)-1，是核电的60倍。可见，核电对公众及工作人员的辐射危害及归一化健康风险值显著低于煤电。

2.3 发电成本分析

核电以235U/239Pu为核燃料，通过中子点火装置(如252Cf中子源)产生中子轰击235U/239Pu发生裂变反应释放能量，同时放出2～3个中子诱发其他铀核裂变，以维持裂变，以235U为例，其核裂变原理式如下：

2018年国际经济合作与发展组织(OECD)与国际能源署联合研究，指出能源供应成本包括①电厂级成本(Plant-level Costs)，即电厂建设中消耗的钢筋、混凝土及燃料等；②电网级系统成本(Grid-level system costs)，指电厂扩建、加固、电网连接等方面对系统构成的成本，同时包括输出不确定或显示间歇性时，维持旋转储备或额外可调度容量的成本；③外部或社会成本(External or social costs outside the electricity system)。根据OECD与国际能源署研究方法，采用基于平准化电力成本(LCOE)方法评估，各能源发电技术电厂级成本及电网系统成本如表5所示。

针对电厂级成本，研究采用3%、7%及10% 3种现时价值换算率下分析不同类型发电机组运转期间的平均发电成本[5]，分析指出在3%和7%现时价值换算率下，核电电厂级成本均优于其它能源发电类型；在10%现时价值换算率下，核电与陆上风电成本相当，但仍优于其它能源。235U单次核裂变可释放200 MeV能量， 1 kg235U完全核裂变所释放的能量约相当于2 700 t标准煤燃烧释放的热量，以一座百万千瓦发电机组为例，核电厂年消耗核燃料20～25 t，换料周期一般为12～18个月，三代(或三代+)核电技术核电厂设计寿命达到60年，相比其他能源发电方式，核电在燃料消耗量及连续运行时间上，具有其他类型发电厂无可比拟的优越性。当前核电站主要建设在人因稀少，水源充足、地质稳定的偏僻地带，在输配电方面其电网级系统成本稍高于煤电、燃气电站等，同时电网连接复杂程度低于风电。

表5 不同发电技术电厂级成本数据统计表

注：数据来源于IEA/NEA.2015。

电厂外部或社会成本主要体现在气候变化(边际减排成本)、空气污染(外部成本)等方面，根据巴黎气候会议达成确保温度升高在2 ℃以内的协议，Kuik等[6]对大量气候与能源模型建立的2 ds对应的边际减排成本进行综合分析，其结果如表6所示。

根据Kuik等研究，预测到2050年，在CO2浓度达到450 ppm时，意即边际减排成本至少需要225EUR/tCO2，原则上对应于所需的碳税水平。

众所周知， CO2、SO2、NOx等污染气体在煤炭、石油、天然气等化石能源燃烧过程中产生，当出现污染物超标时破环地区生态环境，严重时将影响人类健康甚至威胁生命，为此，为分析不同能源发电引起空气污染所产生的外部成本，美国橡树岭国家实验室(ORNL)、美国核管理委员会(NRC)等研究机构总结了过去20多年中不同发电模式下的外部成本[7]，结果如表7所示。

表6 电厂边际减排成本预测表

注：数据来源于Kuik et al.

表7 各研究机构不同发电模式下的外部成本汇总表

综合上述研究机构的研究，核燃料循环外部成本在整个能源发电结构中均处于较低水平，其中欧共体(EC ExternE)研究给出的外部成本数据核电稍高于生物质、风电等发电模式，这是在考虑了核电发生极端事故时放射性物质外泄环境中产生的外部风险及后果，因此增加了核电外部成本。

3 绿色能源发展趋势

当前全球能源结构已形成了以煤电、水电、核电、风电、太阳能及生物质等组成的多元化格局，其中煤电仍占据主导地位，但在全球能源格局中逐渐失去竞争优势，主要有两个方面的因素：(1)全球性的环境污染问题日趋严重，燃煤发电将排放大量的CO2、SO2及NOx等污染物，与当前形势下倡导的绿色发展道路相悖；(2)煤电技术发展遇到瓶颈，燃煤发电效率、发电煤耗等技术指标尚未取得突破性进展，导致单位发电煤耗量较大，此外煤电布局不合理等综合因素导致煤电在全球能源电力结构中的竞争力日益下降。水电装机容量正趋于平稳，因人类大规模的开发利用，水利资源开发已接近了其上限值。

风电、太阳能等新兴再生能源发展迅速，在运行过程中存在发电成本较高、维护困难等问题，限制了其大规模的开发利用。

为推动全球绿色能源发展，解决煤电所带来的环境问题，降低CO2、SO2及NOx等污染物排放，走绿色低碳发展模式；降低风电、太阳能等发电成本，改变现有能源格局。核电技术成熟，因其低碳排放、高能量密度、运行寿命长及发电成本低等优势，是当前人类唯一能够大规模替换煤电的能源。研究总结了当前及预测的核能装机容量及核电占比情况，如表8所示。

表8 2018年及2030年预测全球及我国核电装机容量及核电占比

由此可见，随着全球及我国能源需求的快速增长，核能将成为未来能源发展趋势，成为全球电力生产减碳排放的主要贡献者。

4 结论

面对日益严重的全球性环境问题，以煤电等化石燃料为主的发电模式发电占比将逐步下降，积极发展成熟的环境友好型发电模式改变现有能源格局将势在必行，本文对比分析了不同能源发电模式，得出：

(1)核能单位发电产生的碳排放量为29 g/kW·h，是煤电的1/36，燃气电站的1/17，按2018年核电发电量折算煤电，全球减少CO2排放量27.69亿吨。

(2)在公众及工作人员受照剂量方面，煤电所致公众辐射照射剂量为420人·Sv(GWa)-1，是核电的50倍，对工作人员剂量90人·Sv(GWa)-1，为核电的10倍；根据统计学方法统计得到煤电归一化健康风险为35人(GWa)-1，是核电的60倍。核电对公众及工作人员的辐射危害及归一化健康风险值显著低于煤电。

(3)综合对比分析，在3%、7%的现时价值换算率下核电能源供应成本综合指标优于其他能源；在10% 现时价值换算率下，核电与陆上风电成本相当，但仍优于其它能源。

综上，为实现全球能源绿色健康发展，改变现有能源结构，安全平稳提高核电等清洁能源在能源结构中的占比，平缓降低煤炭等化石能源使用，从源头上减少CO2等温室气体及SO2、NOx等污染性气体排放，从当前凸显的环境问题来看发展核能是必要的。