双碳目标下我国核电发展趋势分析

张 蕴

双碳目标下我国核电发展趋势分析

张 蕴

（中国有色工程有限公司，北京 100038）

核电具备能量密度高、单机功率大、可长期稳定运行等突出优势，适用于承担大型电网基负荷，能够大规模替代化石能源，是全球大国应对气候变化和能源结构低碳化转型的最现实选择，也是我国实现“双碳目标”的必然选择。与其他能源相比，核电有其特殊性，尤其是安全性和可靠性，给核电的大规模发展带来了诸多不确定性。本文从面向国家重大需求角度出发，分析“双碳目标”下我国核电的发展趋势、面临的主要问题与挑战，为我国核电的可持续发展提供参考建议。

核电；大型电网基负荷；能源结构转型；双碳目标

随着全球平均气温持续上升、极端天气的频繁发生，全球气候变化已成为了全球性的非传统安全问题[1]。为了应对全球气候变化带来的各种严峻挑战，能源低碳化转型已是世界各国共识[2]及中长期发展目标。2020年9月，习近平总书记在第75届联合国大会上，提出了中国的“双碳目标”——力争于2030年前实现“碳达峰”，努力争取2060年前实现“碳中和”[3]。

目前，以二氧化碳（CO2）为主的温室气体大量排放，是导致全球气候发生显著变化的主要原因，化石燃料则贡献了90%以上的排放量。由于煤炭资源丰富，我国成为了世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭是我国能源体系结构中的基础性能源。随着我国经济总量的快速提升，二氧化碳排放量也显著增长，2020年我国二氧化碳排放量已达到98.99亿吨。我国不仅承受着气候变化引起的各类自然灾害和超预期风险，还在为高碳、粗放的发展付出沉重的资源、环境代价，严重制约着我国经济的可持续健康发展。在此背景下，我国实施“碳达峰、碳中和”中长期发展战略[4]，不仅是我国积极应对全球气候变化的基本国策，也是基于科学论证的国家重大发展战略，这对于我国实现十八大报告提出的第二个百年奋斗目标具有重大战略意义和现实意义。

经过六十多年不懈努力，我国已经形成了煤、油、气、电、核及新能源和可再生能源多轮驱动的能源体系。与其他能源相比，核电具备能量密度高、单机功率大、换料周期长、可长期稳定运行等突出优势，适用于承担大型电网的基负荷及必要的调峰，是全球大国能源战略和应对全球气候变化最现实的战略选择，在未来全球能源结构低碳话转型中，将发挥不可替代的作用。从核能技术发展历程来看，核电有其特殊性，比如安全性和可靠性[5]，给核电的快速发展及大规模建设带来了诸多不确定性。本文从面向国家重大需求、面向世界科技前沿等角度出发，探讨分析“双碳目标”背景下的核电发展趋势及要求，为我国核电的中长期可持续发展提供参考建议。

1　我国核电发展现状与需求分析

中国作为全球最大的能源消费国，由于资源储量及类型限制，能源供给受到的制约因素较多。在全球各国能源结构低碳话转型的背景下，中国在推动新能源技术创新、可再生绿色能源发展、能源可持续稳定供应等方面肩负着重大责任。由于风电、光电等可再生清洁能源的间歇性、波动性特征，以及水电的季节性特性，使得可再生清洁能源的发电量占比远低于装机容量占比，同时也给大型电网稳定运行带来了许多不确定性。因此，相当长时间内可再生清洁能源难以成为我国大型电网的基负荷能源。核电具有运行稳定、可靠、换料周期长等显著特征，非常适用于我国大型电网的基负荷以及必要的电网调峰，因而核电必将是我国大型电网基负荷能源的重要选项。以低碳清洁能源为主的新能源体系建设过程中，核电的占比越高，越有利于我国电网的安全运行，越有利于风电、光电等清洁能源并入电网，从而提高风电、光电的利用效率。因此，发展核电是推动中国能源结构低碳化转型的重要措施，是中国低碳清洁新能源体系建设的必然选择。

近年来，中国核电发电量逐年增加，2019年核电发电量已达3 487亿千瓦时，较2018年增加了537亿千瓦时，同比增长18.20%。2020年全国累计发电量为74 170.40亿千瓦时，在运行的49台核电机组累计发电量为3 662.43亿千瓦时，占全国累计发电量的4.94%。截止2020年底[6]，中国国内共计在运、在建（含待建7个）核电机组共计72个，总装机容量7 700万千瓦。其中，在运机组49个，装机容量为5 102.71万千瓦，核电的总装机容量占比约为2.4%，在运核电机组数量和装机容量仅次于美国和法国。从在运大型压水堆核电厂的累计发电量来看，1台百万千瓦级大型压水堆核电机组，年发电量接近80亿千瓦时，相当于减少二氧化碳排放640万吨，同时还可以显著减少二氧化硫等大气污染物的排放，清洁低碳的优势相当明显。因此，建设核电对于我国减少碳排放总量将发挥重要作用。

我国在实施“双碳目标”、构建低碳化能源体系总体要求下，预计到2030年我国核电装机容量将占总发电量的10%以上，到2060年将达到20%以上，面向国家重大需求，急需加快我国核电技术发展及建设规模，提高核电占比。

2　核电发展面临的问题与挑战

目前，全球在运营的400多座核电厂以轻水反应堆（压水堆、沸水堆）为主，经过多年不断改进和完善，大型轻水堆核电技术已经日趋完善，但从长远发展来看，仍然面临着安全性与可靠性、经济性、可持续性、乏燃料后处理和高放废物安全处置等重大问题的挑战。尤其是，日本福岛核事故之后，全球核电运行的安全性面临着社会公众的空前关注。

2.1　安全性与可靠性问题

大型核电厂是迄今为止人类设计的最复杂的高效率能源系统之一，与其他能源相比，若大型核电厂发生事故，造成的影响更为深远和广泛，因而公众对于大型核电厂的运行安全性要求是极为苛刻的。例如，发生于2011年3月的日本福岛核事故，对世界各国的核电发展造成了巨大冲击。福岛核事故，不仅给日本造成了巨大的直接经济损失，而且善后工作需要花费很长时间，高达20万立方以上的核废水处置问题至今悬而未决，处置方式受到多方质疑，社会公众对核电的信任度、接受度明显下降。日本福岛核电事故之后，全球各国的核电发展快速趋于平缓甚至停滞，部分欧洲国家更是放弃核电发展计划。

在2012年10月24日召开的国务院常务会议上，明确指出：合理把握核电建设节奏，稳步有序推进。在“十二五”时期，只安排沿海经过充分论证的核电项目厂址，不安排内陆核电项目。同时，提高核电准入门槛，按照全球最高安全要求新建核电项目。2012年国务院批准的《核安全与放射性污染防治“十二五”规划及2020年远景目标》[7]中指出，“十三五”期间及后续新建核电机组，力争从设计上实现消除大量放射性物质释放的可能性[8,9]。2016年，国家核安全局发布的新版HAF102中明确指出，必须实际消除可能导致高辐射剂量或大量放射性释放的核动力厂事故序列。

因此，我国新建核电机组及在研新堆型必须在安全性与可靠性方面取得突破性进展，能够消除核电厂发生严重事故时，对周围环境及社会公众的影响，即从根本上消除堆芯熔化的可能性，不存在大量放射性释放风险，能够简化核电厂的场外应急计划，大幅提高公众对核电的信任度、接受度。

2.2　可持续性问题

（1）铀资源可持续性

目前，全球在运营的 400 多座轻水反应堆核电厂主要采用低富集度二氧化铀燃料，对铀资源的有效利用率只有1%～2%。预计到2030年，我国核电装机容量将达到1.2亿千瓦，到2060年将达4亿千瓦，对铀资源的需求量非常大。从长期发展来看，铀资源的稳定供应及安全保障与核电发展规模关系密切，是核电发展的重要制约因素[10,11]之一。由于中国可经济开采铀资源储量不丰富，导致进口量较大。2015年天然铀及混合物进口量高达24 974 t，主要来源于哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、加拿大和俄罗斯等国，其中哈萨克斯坦就占进口总量的66%。目前，全球可经济开采铀资源主要集中在澳大利亚、加拿大、哈萨克斯坦等国，我国可经济开采的铀资源储量有限，难以满足我国实现碳中和过程中核电的大规模发展需求。

相关运行数据表明：1座百万千瓦轻水堆核电机组全寿期（～60年），大约需要天然铀1万吨，消耗铀矿资源约2万t。到2030年核电装机容量达到1.2亿千瓦，需要的可经济开采铀矿资源大约为240万吨。我国铀资源对外依存度从当前的85%进一步上升，铀资源的安全保障存在较大不确定性。如果我国核电的装机容量达到2亿千瓦以上，则必须考虑铀资源的长期稳定供应及安全保障问题。

因此，我国新建的大型核电机组及后续在研新堆型，必须显著提高铀资源利用率，进一步降低核电全周期对铀资源的需求量，有效控制我国铀资源的对外依存度，保障我国核电的长期可持续发展。

（2）乏燃料后处理及高放废物处置

目前，世界上轻水堆核电厂的运行寿命大约为60～80年，经过若干循环卸出反应堆的乏燃料元件中，除裂变产物之外，还包含着半衰期很长的超铀核素，若不对其进行后处理，乏燃料的放射性要等十几万年以后，才能衰减到铀矿自然本底水平，给自然环境留下巨大的包袱。如何妥善处理和储存乏燃料，保证其在长达数十万年内不致严重破坏人类的居住环境，世界各国都未能找到经济、安全的处置方案。一座百万千瓦级核电厂一年约产生20～25 t乏燃料，其中，可再利用铀23.95 t，钚0.25 t，中短寿命裂变产物0.75 t，次锕系核素0.02 t，长寿命核素0.03 t。经后处理，乏燃料最后将分别产生4 m3、20 m3、140 m3的高、中、低水平的放射性废物。

现阶段，受经济性、技术可行性和防止核扩散风险等因素影响[12,13]，高放乏燃料后处理与长期安全处置一直是制约核电发展的重要瓶颈。美国、俄罗斯、法国、日本等核电建设及应用大国都在努力探索乏燃料及高放废物的安全处置问题[14,15]。从经济性和技术可行性角度考虑，地质处置是当前乏燃料及高放废物的主要处置方式。与之同时，美国、俄罗斯、法国等国，都在积极探索闭式核燃料循环技术，减少高放废物的产生量，开发可以在快中子增殖反应堆中再次利用后处理燃料。

20世纪80年代，我国确立了核燃料“闭式循环”发展战略。由于乏燃料后处理厂建设的技术难度大、周期长、总投资费用高，迄今未形成商业化的乏燃料后处理生产能力。到2020年，我国核电厂乏燃料的年产量、累积量分别达到了1 100 t、7 800 t；预计到2035年，我国核电厂乏燃料将分别达到2 000 t、34 600 t；预计到2050年，将分别达到6 600 t、110 000 t。我国由于选址、技术路线、经济考量等原因，商用乏燃料后处理厂建设何时启动还未可知。放射性废物尤其是高放废物的安全处置关系到环境安全与公众健康，短期内难以得到有效解决，随着核电发展，我国放射性废物产生量和积累量将保持高增长趋势。

2.3　经济性问题

大型压水堆核电厂的设计、建设、维护及其长期安全运营，不仅需要具有强大的核工业体系，更需要雄厚的金融实力，可控的资金风险一直是制约核电发展的重要因素之一。与传统的化石能源相比，大型核电总成本中，核燃料费用（包含采矿、转化、富集、制造等）所占的比例较低，核燃料对价格波动的敏感度不及化石原料，但总体开发成本较高，同等功率规模的核电厂初期的投资是火电厂的3倍[16]。

大型压水堆核电厂在世界各国的商业化建设及运营过程中，都需要接受各国核安全监管当局的严格管理及监督。为了确保工程建设质量，大型核电建设全流程，如设计、采购、建造、调试等，都有着极其严格的质保要求。非常特殊的监管体系决定了大型核电厂高昂的造价和投资成本。华龙一号、AP1000等三代核电机组，造价要比上二代核电更高，单台百万千万机组造价高达200亿。大型核电厂的一次性投资巨大，建设周期长（4～6年），新堆型建设周期更长，同时还存在着新技术应用所带来的安全审评风险，以及伴随国民经济和社会发展衍生出的公众信任度等问题。因此，与常规火电、水电等相比，大型核电项目的投资回收期长，投资风险相对较高。

因此，我国新建核电机组必须缩短建造工期、提高负荷因子、降低核燃料循环成本，进一步提高核电的经济性及市场竞争力。

3　核电发展趋势分析

核电在美、法等发达国家“碳达峰”过程中，发挥了极其重要作用，与风电、水电、光电等，共同构筑了清洁低碳、安全高效的新能源体系。为了使核电在碳中和过程中能够发挥更大作用，世界主要核电发达国家纷纷采取以下主要举措：

（1）持续提升大型压水堆核电厂的安全性指标，不断降低堆芯熔化和放射性物质向周边环境释放的风险，降低反应堆发生严重事故的概率，减轻、弱化社会公众的顾虑。目前，三代核电机组通过采用各种安全措施，如AP1000采用全非能动安全系统，华龙一号采用非能动与能动相结合的安全系统，使堆芯损坏概率可以降至低于 10-6/堆·年，大规模放射性物质释放至环境的概率可以降至低于 10-7/堆·年，因而新建大型核电厂的安全性与可靠性显著提高。

（2）进一步降低大型压水堆核电厂的建设成本，有效提高核电的全周期经济性，使得核能发电与其他清洁能源相比，具有竞争力。例如大量采用模块化制造和施工技术、缩短建造周期等措施，降低核电建设成本。另外，提升机组可利用率和使用寿命也是提高核电经济性的重要途径，例如，我国“华龙一号”、美国AP1000、欧盟EPR等三代核电的平均可利用率均能达到90%以上，设计寿命已普遍达到60年以上。此外，新建的大型核电厂还采取了设计/管理标准化、集中采购设备等措施，进一步降低大型压水堆核电厂的建设成本，提升其经济性和竞争力。

（3）减少高放乏燃料产生量，特别是长寿命超铀核素的产生量，寻求更佳的乏燃料后处理及核燃料循环方案。目前，通过优化堆芯设计及系统改进，三代核电机组的换料周期，已普遍提升至18个月，大修次数减少，乏燃料及中低性放射性废物的数量、工作人员可能接受的剂量都相应降低；通过设计优化降低堆芯周围的放射性剂量，如加强屏蔽防护措施、开发气体包容能力更强的燃料元件。同时，不断开发更优的乏燃料及中低放废物处理方案，持续减少核废物的数量和体积。

（4）加快开发更先进的四代核电技术及核燃料循环策略。新一代核电技术在安全性、经济性、可持续性等方面都有显著进步，不需要场外应急，尽可能减少核废物等。

4　结论

在“双碳目标”和构建创新型国家时代背景下，我国需要创新核电技术发展，全力突破核电安全性、铀资源可持续性、乏燃料处理等重大问题挑战，以市场需求为导向，实现我国核电引领式发展。

（1）从2030年我国实现“碳达峰”现实需求角度考虑，应坚持技术成熟的大型压水堆核电技术路线，进一步提高安全性及经济竞争力，满足社会公众对核电安全性的苛刻要求。

（2）从2060年我国实现“碳中和”长期可持续发展角度考虑，需要加快第四代更加安全、经济、高效的新一代核电技术研发，实现核电安全性的革命性提升，满足我国内陆核电厂址的更高建设要求，全力突破铀资源供应可持续性、乏燃料后处理及高放废物处置等重大问题挑战。

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［2］ 胡鞍钢，管清友. 中国应对全球气候变化［M］．北京：清华大学出版社，2009.

［3］ http：//www.china-cer.com.cn/zhiku/2021040812065.html，“十四五”时期我国碳达峰和碳中和机遇与挑战.

［4］ https：//www.cenews.com.cn/public/wgc/202104/t20210413_ 973333.html，碳达峰国家特征以及对我国的启示.

［5］ 陈达. 核能与核安全：日本福岛核事故分析与思考［J］．南京航空航天大学学报，2012，44（05）：597-602.

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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

张 蕴（1974—），女，江西九江人，高级经济师，硕士，现主要从事经济分析方面研究