雙碳目標下我國核電發(fā)展趨勢分析

張 蘊

雙碳目標下我國核電發(fā)展趨勢分析

張 蘊

（中國有色工程有限公司，北京 100038）

核電具備能量密度高、單機功率大、可長期穩(wěn)定運行等突出優(yōu)勢，適用于承擔大型電網基負荷，能夠大規(guī)模替代化石能源，是全球大國應對氣候變化和能源結構低碳化轉型的最現(xiàn)實選擇，也是我國實現(xiàn)“雙碳目標”的必然選擇。與其他能源相比，核電有其特殊性，尤其是安全性和可靠性，給核電的大規(guī)模發(fā)展帶來了諸多不確定性。本文從面向國家重大需求角度出發(fā)，分析“雙碳目標”下我國核電的發(fā)展趨勢、面臨的主要問題與挑戰(zhàn)，為我國核電的可持續(xù)發(fā)展提供參考建議。

核電；大型電網基負荷；能源結構轉型；雙碳目標

隨著全球平均氣溫持續(xù)上升、極端天氣的頻繁發(fā)生，全球氣候變化已成為了全球性的非傳統(tǒng)安全問題[1]。為了應對全球氣候變化帶來的各種嚴峻挑戰(zhàn)，能源低碳化轉型已是世界各國共識[2]及中長期發(fā)展目標。2020年9月，習近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會上，提出了中國的“雙碳目標”——力爭于2030年前實現(xiàn)“碳達峰”，努力爭取2060年前實現(xiàn)“碳中和”[3]。

目前，以二氧化碳（CO2）為主的溫室氣體大量排放，是導致全球氣候發(fā)生顯著變化的主要原因，化石燃料則貢獻了90%以上的排放量。由于煤炭資源豐富，我國成為了世界上最大的煤炭生產國和消費國，煤炭是我國能源體系結構中的基礎性能源。隨著我國經濟總量的快速提升，二氧化碳排放量也顯著增長，2020年我國二氧化碳排放量已達到98.99億噸。我國不僅承受著氣候變化引起的各類自然災害和超預期風險，還在為高碳、粗放的發(fā)展付出沉重的資源、環(huán)境代價，嚴重制約著我國經濟的可持續(xù)健康發(fā)展。在此背景下，我國實施“碳達峰、碳中和”中長期發(fā)展戰(zhàn)略[4]，不僅是我國積極應對全球氣候變化的基本國策，也是基于科學論證的國家重大發(fā)展戰(zhàn)略，這對于我國實現(xiàn)十八大報告提出的第二個百年奮斗目標具有重大戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實意義。

經過六十多年不懈努力，我國已經形成了煤、油、氣、電、核及新能源和可再生能源多輪驅動的能源體系。與其他能源相比，核電具備能量密度高、單機功率大、換料周期長、可長期穩(wěn)定運行等突出優(yōu)勢，適用于承擔大型電網的基負荷及必要的調峰，是全球大國能源戰(zhàn)略和應對全球氣候變化最現(xiàn)實的戰(zhàn)略選擇，在未來全球能源結構低碳話轉型中，將發(fā)揮不可替代的作用。從核能技術發(fā)展歷程來看，核電有其特殊性，比如安全性和可靠性[5]，給核電的快速發(fā)展及大規(guī)模建設帶來了諸多不確定性。本文從面向國家重大需求、面向世界科技前沿等角度出發(fā)，探討分析“雙碳目標”背景下的核電發(fā)展趨勢及要求，為我國核電的中長期可持續(xù)發(fā)展提供參考建議。

1　我國核電發(fā)展現(xiàn)狀與需求分析

中國作為全球最大的能源消費國，由于資源儲量及類型限制，能源供給受到的制約因素較多。在全球各國能源結構低碳話轉型的背景下，中國在推動新能源技術創(chuàng)新、可再生綠色能源發(fā)展、能源可持續(xù)穩(wěn)定供應等方面肩負著重大責任。由于風電、光電等可再生清潔能源的間歇性、波動性特征，以及水電的季節(jié)性特性，使得可再生清潔能源的發(fā)電量占比遠低于裝機容量占比，同時也給大型電網穩(wěn)定運行帶來了許多不確定性。因此，相當長時間內可再生清潔能源難以成為我國大型電網的基負荷能源。核電具有運行穩(wěn)定、可靠、換料周期長等顯著特征，非常適用于我國大型電網的基負荷以及必要的電網調峰，因而核電必將是我國大型電網基負荷能源的重要選項。以低碳清潔能源為主的新能源體系建設過程中，核電的占比越高，越有利于我國電網的安全運行，越有利于風電、光電等清潔能源并入電網，從而提高風電、光電的利用效率。因此，發(fā)展核電是推動中國能源結構低碳化轉型的重要措施，是中國低碳清潔新能源體系建設的必然選擇。

近年來，中國核電發(fā)電量逐年增加，2019年核電發(fā)電量已達3 487億千瓦時，較2018年增加了537億千瓦時，同比增長18.20%。2020年全國累計發(fā)電量為74 170.40億千瓦時，在運行的49臺核電機組累計發(fā)電量為3 662.43億千瓦時，占全國累計發(fā)電量的4.94%。截止2020年底[6]，中國國內共計在運、在建（含待建7個）核電機組共計72個，總裝機容量7 700萬千瓦。其中，在運機組49個，裝機容量為5 102.71萬千瓦，核電的總裝機容量占比約為2.4%，在運核電機組數量和裝機容量僅次于美國和法國。從在運大型壓水堆核電廠的累計發(fā)電量來看，1臺百萬千瓦級大型壓水堆核電機組，年發(fā)電量接近80億千瓦時，相當于減少二氧化碳排放640萬噸，同時還可以顯著減少二氧化硫等大氣污染物的排放，清潔低碳的優(yōu)勢相當明顯。因此，建設核電對于我國減少碳排放總量將發(fā)揮重要作用。

我國在實施“雙碳目標”、構建低碳化能源體系總體要求下，預計到2030年我國核電裝機容量將占總發(fā)電量的10%以上，到2060年將達到20%以上，面向國家重大需求，急需加快我國核電技術發(fā)展及建設規(guī)模，提高核電占比。

2　核電發(fā)展面臨的問題與挑戰(zhàn)

目前，全球在運營的400多座核電廠以輕水反應堆（壓水堆、沸水堆）為主，經過多年不斷改進和完善，大型輕水堆核電技術已經日趨完善，但從長遠發(fā)展來看，仍然面臨著安全性與可靠性、經濟性、可持續(xù)性、乏燃料后處理和高放廢物安全處置等重大問題的挑戰(zhàn)。尤其是，日本福島核事故之后，全球核電運行的安全性面臨著社會公眾的空前關注。

2.1　安全性與可靠性問題

大型核電廠是迄今為止人類設計的最復雜的高效率能源系統(tǒng)之一，與其他能源相比，若大型核電廠發(fā)生事故，造成的影響更為深遠和廣泛，因而公眾對于大型核電廠的運行安全性要求是極為苛刻的。例如，發(fā)生于2011年3月的日本福島核事故，對世界各國的核電發(fā)展造成了巨大沖擊。福島核事故，不僅給日本造成了巨大的直接經濟損失，而且善后工作需要花費很長時間，高達20萬立方以上的核廢水處置問題至今懸而未決，處置方式受到多方質疑，社會公眾對核電的信任度、接受度明顯下降。日本福島核電事故之后，全球各國的核電發(fā)展快速趨于平緩甚至停滯，部分歐洲國家更是放棄核電發(fā)展計劃。

在2012年10月24日召開的國務院常務會議上，明確指出：合理把握核電建設節(jié)奏，穩(wěn)步有序推進。在“十二五”時期，只安排沿海經過充分論證的核電項目廠址，不安排內陸核電項目。同時，提高核電準入門檻，按照全球最高安全要求新建核電項目。2012年國務院批準的《核安全與放射性污染防治“十二五”規(guī)劃及2020年遠景目標》[7]中指出，“十三五”期間及后續(xù)新建核電機組，力爭從設計上實現(xiàn)消除大量放射性物質釋放的可能性[8,9]。2016年，國家核安全局發(fā)布的新版HAF102中明確指出，必須實際消除可能導致高輻射劑量或大量放射性釋放的核動力廠事故序列。

因此，我國新建核電機組及在研新堆型必須在安全性與可靠性方面取得突破性進展，能夠消除核電廠發(fā)生嚴重事故時，對周圍環(huán)境及社會公眾的影響，即從根本上消除堆芯熔化的可能性，不存在大量放射性釋放風險，能夠簡化核電廠的場外應急計劃，大幅提高公眾對核電的信任度、接受度。

2.2　可持續(xù)性問題

（1）鈾資源可持續(xù)性

目前，全球在運營的 400 多座輕水反應堆核電廠主要采用低富集度二氧化鈾燃料，對鈾資源的有效利用率只有1%～2%。預計到2030年，我國核電裝機容量將達到1.2億千瓦，到2060年將達4億千瓦，對鈾資源的需求量非常大。從長期發(fā)展來看，鈾資源的穩(wěn)定供應及安全保障與核電發(fā)展規(guī)模關系密切，是核電發(fā)展的重要制約因素[10,11]之一。由于中國可經濟開采鈾資源儲量不豐富，導致進口量較大。2015年天然鈾及混合物進口量高達24 974 t，主要來源于哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦、加拿大和俄羅斯等國，其中哈薩克斯坦就占進口總量的66%。目前，全球可經濟開采鈾資源主要集中在澳大利亞、加拿大、哈薩克斯坦等國，我國可經濟開采的鈾資源儲量有限，難以滿足我國實現(xiàn)碳中和過程中核電的大規(guī)模發(fā)展需求。

相關運行數據表明：1座百萬千瓦輕水堆核電機組全壽期（～60年），大約需要天然鈾1萬噸，消耗鈾礦資源約2萬t。到2030年核電裝機容量達到1.2億千瓦，需要的可經濟開采鈾礦資源大約為240萬噸。我國鈾資源對外依存度從當前的85%進一步上升，鈾資源的安全保障存在較大不確定性。如果我國核電的裝機容量達到2億千瓦以上，則必須考慮鈾資源的長期穩(wěn)定供應及安全保障問題。

因此，我國新建的大型核電機組及后續(xù)在研新堆型，必須顯著提高鈾資源利用率，進一步降低核電全周期對鈾資源的需求量，有效控制我國鈾資源的對外依存度，保障我國核電的長期可持續(xù)發(fā)展。

（2）乏燃料后處理及高放廢物處置

目前，世界上輕水堆核電廠的運行壽命大約為60～80年，經過若干循環(huán)卸出反應堆的乏燃料元件中，除裂變產物之外，還包含著半衰期很長的超鈾核素，若不對其進行后處理，乏燃料的放射性要等十幾萬年以后，才能衰減到鈾礦自然本底水平，給自然環(huán)境留下巨大的包袱。如何妥善處理和儲存乏燃料，保證其在長達數十萬年內不致嚴重破壞人類的居住環(huán)境，世界各國都未能找到經濟、安全的處置方案。一座百萬千瓦級核電廠一年約產生20～25 t乏燃料，其中，可再利用鈾23.95 t，钚0.25 t，中短壽命裂變產物0.75 t，次錒系核素0.02 t，長壽命核素0.03 t。經后處理，乏燃料最后將分別產生4 m3、20 m3、140 m3的高、中、低水平的放射性廢物。

現(xiàn)階段，受經濟性、技術可行性和防止核擴散風險等因素影響[12,13]，高放乏燃料后處理與長期安全處置一直是制約核電發(fā)展的重要瓶頸。美國、俄羅斯、法國、日本等核電建設及應用大國都在努力探索乏燃料及高放廢物的安全處置問題[14,15]。從經濟性和技術可行性角度考慮，地質處置是當前乏燃料及高放廢物的主要處置方式。與之同時，美國、俄羅斯、法國等國，都在積極探索閉式核燃料循環(huán)技術，減少高放廢物的產生量，開發(fā)可以在快中子增殖反應堆中再次利用后處理燃料。

20世紀80年代，我國確立了核燃料“閉式循環(huán)”發(fā)展戰(zhàn)略。由于乏燃料后處理廠建設的技術難度大、周期長、總投資費用高，迄今未形成商業(yè)化的乏燃料后處理生產能力。到2020年，我國核電廠乏燃料的年產量、累積量分別達到了1 100 t、7 800 t；預計到2035年，我國核電廠乏燃料將分別達到2 000 t、34 600 t；預計到2050年，將分別達到6 600 t、110 000 t。我國由于選址、技術路線、經濟考量等原因，商用乏燃料后處理廠建設何時啟動還未可知。放射性廢物尤其是高放廢物的安全處置關系到環(huán)境安全與公眾健康，短期內難以得到有效解決，隨著核電發(fā)展，我國放射性廢物產生量和積累量將保持高增長趨勢。

2.3　經濟性問題

大型壓水堆核電廠的設計、建設、維護及其長期安全運營，不僅需要具有強大的核工業(yè)體系，更需要雄厚的金融實力，可控的資金風險一直是制約核電發(fā)展的重要因素之一。與傳統(tǒng)的化石能源相比，大型核電總成本中，核燃料費用（包含采礦、轉化、富集、制造等）所占的比例較低，核燃料對價格波動的敏感度不及化石原料，但總體開發(fā)成本較高，同等功率規(guī)模的核電廠初期的投資是火電廠的3倍[16]。

大型壓水堆核電廠在世界各國的商業(yè)化建設及運營過程中，都需要接受各國核安全監(jiān)管當局的嚴格管理及監(jiān)督。為了確保工程建設質量，大型核電建設全流程，如設計、采購、建造、調試等，都有著極其嚴格的質保要求。非常特殊的監(jiān)管體系決定了大型核電廠高昂的造價和投資成本。華龍一號、AP1000等三代核電機組，造價要比上二代核電更高，單臺百萬千萬機組造價高達200億。大型核電廠的一次性投資巨大，建設周期長（4～6年），新堆型建設周期更長，同時還存在著新技術應用所帶來的安全審評風險，以及伴隨國民經濟和社會發(fā)展衍生出的公眾信任度等問題。因此，與常規(guī)火電、水電等相比，大型核電項目的投資回收期長，投資風險相對較高。

因此，我國新建核電機組必須縮短建造工期、提高負荷因子、降低核燃料循環(huán)成本，進一步提高核電的經濟性及市場競爭力。

3　核電發(fā)展趨勢分析

核電在美、法等發(fā)達國家“碳達峰”過程中，發(fā)揮了極其重要作用，與風電、水電、光電等，共同構筑了清潔低碳、安全高效的新能源體系。為了使核電在碳中和過程中能夠發(fā)揮更大作用，世界主要核電發(fā)達國家紛紛采取以下主要舉措：

（1）持續(xù)提升大型壓水堆核電廠的安全性指標，不斷降低堆芯熔化和放射性物質向周邊環(huán)境釋放的風險，降低反應堆發(fā)生嚴重事故的概率，減輕、弱化社會公眾的顧慮。目前，三代核電機組通過采用各種安全措施，如AP1000采用全非能動安全系統(tǒng)，華龍一號采用非能動與能動相結合的安全系統(tǒng)，使堆芯損壞概率可以降至低于 10-6/堆·年，大規(guī)模放射性物質釋放至環(huán)境的概率可以降至低于 10-7/堆·年，因而新建大型核電廠的安全性與可靠性顯著提高。

（2）進一步降低大型壓水堆核電廠的建設成本，有效提高核電的全周期經濟性，使得核能發(fā)電與其他清潔能源相比，具有競爭力。例如大量采用模塊化制造和施工技術、縮短建造周期等措施，降低核電建設成本。另外，提升機組可利用率和使用壽命也是提高核電經濟性的重要途徑，例如，我國“華龍一號”、美國AP1000、歐盟EPR等三代核電的平均可利用率均能達到90%以上，設計壽命已普遍達到60年以上。此外，新建的大型核電廠還采取了設計/管理標準化、集中采購設備等措施，進一步降低大型壓水堆核電廠的建設成本，提升其經濟性和競爭力。

（3）減少高放乏燃料產生量，特別是長壽命超鈾核素的產生量，尋求更佳的乏燃料后處理及核燃料循環(huán)方案。目前，通過優(yōu)化堆芯設計及系統(tǒng)改進，三代核電機組的換料周期，已普遍提升至18個月，大修次數減少，乏燃料及中低性放射性廢物的數量、工作人員可能接受的劑量都相應降低；通過設計優(yōu)化降低堆芯周圍的放射性劑量，如加強屏蔽防護措施、開發(fā)氣體包容能力更強的燃料元件。同時，不斷開發(fā)更優(yōu)的乏燃料及中低放廢物處理方案，持續(xù)減少核廢物的數量和體積。

（4）加快開發(fā)更先進的四代核電技術及核燃料循環(huán)策略。新一代核電技術在安全性、經濟性、可持續(xù)性等方面都有顯著進步，不需要場外應急，盡可能減少核廢物等。

4　結論

在“雙碳目標”和構建創(chuàng)新型國家時代背景下，我國需要創(chuàng)新核電技術發(fā)展，全力突破核電安全性、鈾資源可持續(xù)性、乏燃料處理等重大問題挑戰(zhàn)，以市場需求為導向，實現(xiàn)我國核電引領式發(fā)展。

（1）從2030年我國實現(xiàn)“碳達峰”現(xiàn)實需求角度考慮，應堅持技術成熟的大型壓水堆核電技術路線，進一步提高安全性及經濟競爭力，滿足社會公眾對核電安全性的苛刻要求。

（2）從2060年我國實現(xiàn)“碳中和”長期可持續(xù)發(fā)展角度考慮，需要加快第四代更加安全、經濟、高效的新一代核電技術研發(fā)，實現(xiàn)核電安全性的革命性提升，滿足我國內陸核電廠址的更高建設要求，全力突破鈾資源供應可持續(xù)性、乏燃料后處理及高放廢物處置等重大問題挑戰(zhàn)。

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［4］ https：//www.cenews.com.cn/public/wgc/202104/t20210413_ 973333.html，碳達峰國家特征以及對我國的啟示.

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Analysis on the Development Trend of Nuclear Energy in China under the Dual Carbon Target

ZHANG Yun

（China Nonferrous Metals Engineering Co.，Ltd，Beijing 100038，China）

Nuclear Power Plants（NPPs）have the outstanding advantages of high energy density，high single unit power，long-term stable operation et al. It is suitable for undertaking large-scale power grid base load，and can replace fossil energy on a large scale.It is not only the most realistic choice for global powers to deal with climate change and low-carbon energy structure transformation，but also the inevitable choice for China to achieve the “dual carbon target”. Compared with other energy sources，nuclear power has its particularity，especially safety and reliability，which brings a lot of uncertainty to the large-scale development of nuclear power.From the perspective of facing the major national needs，this paper analyzes the development trend，main problems and challenges of China’s nuclear power under the dual carbon target，so as to provide reference and suggestions for the sustainable development of China’s nuclear power.

Nuclear power；Large power grid base load；Energy structure transformation；Dual carbon target

TL413.4

A

0258-0918（2021）06-1347-05

2021-10-09

張 蘊（1974—），女，江西九江人，高級經濟師，碩士，現(xiàn)主要從事經濟分析方面研究