中國(guó)核電的CO2排放和放射性全生命周期分析

韓梓豪 周勝 秦旭映 朱軍兵 陳福冰

摘?要：建立了用于分析我國(guó)核電環(huán)境影響的全生命周期評(píng)價(jià)模型，基于公開發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算我國(guó)核電全生命周期CO2排放，并對(duì)核電生產(chǎn)帶來(lái)的放射性排放進(jìn)行分析。結(jié)果表明，我國(guó)核電全生命周期CO2排放量為12.19g/kWh，在“燃料開采”和“廢棄處理”環(huán)節(jié)的CO2排放量占比最高，核電全生命周期對(duì)公眾的放射性排放量為4.62人.Sv/（GWa）。基于此，核電產(chǎn)業(yè)應(yīng)利用合理模型和透明數(shù)據(jù)，定量分析核電技術(shù)的環(huán)境優(yōu)勢(shì)，提高公眾對(duì)核電的接受度;加快核電生命周期各環(huán)節(jié)的技術(shù)升級(jí)與進(jìn)步，降低相關(guān)行業(yè)的整體能耗水平;對(duì)各環(huán)節(jié)物料進(jìn)行循環(huán)再利用，減少溫室氣體及放射性排放。

關(guān)鍵詞：核電?全生命周期評(píng)價(jià)模型?CO2排放?放射性

一、引言

近年來(lái)，我國(guó)核電、風(fēng)電、光伏發(fā)電等清潔能源發(fā)電量增速較快，消納水平也不斷提高。2019年，全國(guó)全口徑發(fā)電量、清潔能源發(fā)電量分別為7.33萬(wàn)億kWh和2.39萬(wàn)億kWh，同比增長(zhǎng)分別為4.7%和10.4%。其中，核電發(fā)電量為3487億kWh，同比增長(zhǎng)8.6%;風(fēng)電發(fā)電量為4057億kWh，同比增長(zhǎng)10.9%;光伏發(fā)電量為2238億kWh，同比增長(zhǎng)26.5%[1]。

為了適應(yīng)低碳化能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)2060年碳中和的目標(biāo)，我國(guó)的電力供應(yīng)體系將持續(xù)優(yōu)化。在裝機(jī)容量方面，預(yù)計(jì)煤電裝機(jī)容量逐步下降;氣電裝機(jī)容量不斷增長(zhǎng)，迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇;水電裝機(jī)容量增速下降，但仍將平穩(wěn)增長(zhǎng);核電、風(fēng)電和光伏發(fā)電等清潔能源的裝機(jī)量將快速增長(zhǎng)，替代傳統(tǒng)火電的趨勢(shì)明顯。預(yù)計(jì)2035年，清潔能源裝機(jī)容量為20.2億kW，較2017年新增12.5億kW，占新增裝機(jī)容量的78%;2050年，清潔能源裝機(jī)容量達(dá)到33.9億kW，較2017年新增26.2億kW，占新增裝機(jī)容量的91%[2]。

在發(fā)展核電的過(guò)程中，核電帶來(lái)何種水平的環(huán)境影響、核電的環(huán)境影響如何與其他發(fā)電方式相比對(duì)，是國(guó)內(nèi)外業(yè)界十分關(guān)注的問(wèn)題。國(guó)外有一些研究采用全能源鏈分析法（PCA）計(jì)算了從鈾礦開采、冶煉、鈾濃縮、燃料元件制造、運(yùn)輸、核電廠建造、運(yùn)行、退役等相關(guān)活動(dòng)中的能耗和溫室氣體的排放。Beerten等使用生命周期分析法（LCA）計(jì)算了核燃料循環(huán)的溫室氣體排放，分析了整個(gè)核燃料循環(huán)過(guò)程中的溫室氣體排放，計(jì)算了比利時(shí)核燃料循環(huán)前端產(chǎn)生的溫室氣體排放[3];Voorspools等采用生命周期分析法、全能源鏈分析法計(jì)算了比利時(shí)核電廠建造、運(yùn)行和退役階段的溫室氣體排放，并與風(fēng)電站、光伏電站、化石燃料發(fā)電站的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比[4];Tahara采用生命周期分析法計(jì)算了日本可再生能源發(fā)電廠（核電、水電和光伏發(fā)電）以及傳統(tǒng)化石能源發(fā)電廠（煤炭、石油和液化天然氣）在建設(shè)過(guò)程中的二氧化碳排放量[5];Tokimatsu使用全能源鏈分析法計(jì)算了日本托卡馬克聚變反應(yīng)堆核電站的整個(gè)核燃料循環(huán)過(guò)程中的二氧化碳排放量，并與其他類型反應(yīng)堆、日本目前使用的其他發(fā)電能源進(jìn)行了比較[6];Meier等使用生命周期分析法計(jì)算了化石能源發(fā)電（煤炭、石油）、核能與可再生能源發(fā)電全生命周期內(nèi)的二氧化碳排放量，并評(píng)估不同燃料結(jié)構(gòu)來(lái)應(yīng)對(duì)美國(guó)電力行業(yè)不同水平的碳排放限制的可行性[7];Siddiqui等使用生命周期分析法分析了加拿大安大略省的核電全生命周期對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響，其中包括二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物和顆粒物等指標(biāo)，并與風(fēng)電、水電全生命周期對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響進(jìn)行比較[8];Weisser基于公開發(fā)表的結(jié)果，綜述和比較了近年來(lái)化石能源、核能與可再生能源發(fā)電技術(shù)的全生命周期的溫室氣體排放量[9];Fthenakis和Kim使用生命周期分析法計(jì)算了歐洲、美國(guó)等地區(qū)核電生命周期中溫室氣體排放量的低、中、高結(jié)果，并認(rèn)為其差異源于鈾濃縮、核電廠建造及運(yùn)營(yíng)等方面的不同[10]。

國(guó)內(nèi)關(guān)于核電鏈對(duì)環(huán)境影響的研究開展得較早。馬忠海等使用我國(guó)90年代中期已投運(yùn)的秦山核電站和鈾礦開采與冶煉的典型數(shù)據(jù)，估算了我國(guó)核電鏈的溫室氣體排放系數(shù)，計(jì)算了核電鏈中主要相關(guān)材料的溫室氣體排放系數(shù)、各環(huán)節(jié)的溫室氣體排放系數(shù)[11，12];姜子英建立了核電鏈的外部成本計(jì)量框架，計(jì)算了核電鏈各環(huán)節(jié)的放射性流出物排放以及核設(shè)施在建造和運(yùn)行維護(hù)期間間接排放的非放射性大氣污染物[13];宋海濤與瞿惠紅等分析了核電鏈全生命周期的溫室氣體排放，并分析了在不同碳排放價(jià)格下，核電在生命周期內(nèi)碳排放對(duì)電價(jià)的影響[14];劉勝?gòu)?qiáng)基于國(guó)內(nèi)外資料文獻(xiàn)，核算了核電生命周期溫室氣體排放系數(shù)的變化區(qū)間，并與火電進(jìn)行了對(duì)比分析[15];周杰與周溪嶠通過(guò)計(jì)算核電生產(chǎn)和使用過(guò)程中的排放、污染和資源消耗量，運(yùn)用歸一化的綜合指標(biāo)分析了核電全生命周期造成的環(huán)境負(fù)荷[16];姜子英等使用全能源鏈分析法和生命周期分析法，對(duì)我國(guó)核電鏈的生命周期溫室氣體排放進(jìn)行分析，計(jì)算了現(xiàn)階段我國(guó)核電鏈的總溫室氣體排放量[17];楊端節(jié)等結(jié)合廠址環(huán)境特征，對(duì)我國(guó)2001-2013年期間我國(guó)核電鏈生命周期放射性排放進(jìn)行了評(píng)估與比較，并提出了一些建議[18]。

目前，國(guó)外的研究分析偏重其所在國(guó)家或全球的情況，但是各個(gè)國(guó)家的情況與中國(guó)的情況并不完全一致，全球的情況則側(cè)重宏觀或者文獻(xiàn)綜述。國(guó)內(nèi)的研究工作方面，有一部分基于較早期的數(shù)據(jù)，而當(dāng)時(shí)相關(guān)技術(shù)尚未成熟，比如近年來(lái)鈾礦開采與冶煉技術(shù)的提高已減少核電鏈生命周期溫室氣體的排放，另一部分是以方法學(xué)和有限案例的方式開展。此外，已有研究往往只研究核電鏈生命周期的溫室氣體排放、常規(guī)污染物排放、放射性排放其中一種參數(shù)，關(guān)注的環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)不夠全面。

基于上述情況，本研究采用歸一排放標(biāo)準(zhǔn)分析模型，即全生命周期分析模型，基于公開發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，分析核電生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的能源消耗、物料消耗，據(jù)此計(jì)算每千瓦時(shí)核電對(duì)應(yīng)的溫室氣體排放，并根據(jù)公開發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，對(duì)放射性排放進(jìn)行比對(duì)分析，為核電與其他電力能源形式的生命周期評(píng)價(jià)的比較奠定基礎(chǔ)。