中國(guó)核電能源鏈的生命周期溫室氣體排放研究

姜子英，潘自強(qiáng)，邢 江，於 凡（.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 04；.中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司，北京 0008；.中環(huán)聯(lián)合（北京）認(rèn)證中心有限公司，北京 0009）

中國(guó)核電能源鏈的生命周期溫室氣體排放研究

姜子英1*，潘自強(qiáng)2，邢 江3，於 凡1（1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司，北京 100082；3.中環(huán)聯(lián)合（北京）認(rèn)證中心有限公司，北京 100029）

應(yīng)用全能源鏈分析（PCA）和生命周期分析（LCA）方法，采用第一手調(diào)查數(shù)據(jù)和一些新的參數(shù)，對(duì)我國(guó)核電能源鏈的生命周期溫室氣體排放進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)算.結(jié)果表明，現(xiàn)階段我國(guó)核電能源鏈（包括核燃料循環(huán)前段、核電站）的實(shí)際溫室氣體排放量為6.2gCO2，eq/（kW·h），若考慮核燃料循環(huán)后段（乏燃料后處理與廢物處置）則總的溫室氣體排放量為 11.9gCO2，eq/（kW·h）.核電是低碳能源，發(fā)展核電代替一定規(guī)模的煤電提供一次能源，每1kW·h電力生產(chǎn)能夠減排大約1kg二氧化碳.推進(jìn)核電產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)升級(jí)和持續(xù)節(jié)能降耗，鼓勵(lì)材料再循環(huán)再利用，核電能源鏈的溫室氣體排放仍有進(jìn)一步降低的空間.

核電；能源鏈；生命周期；溫室氣體排放

中國(guó)溫室氣體排放總量已位居世界第一，能源需求還在繼續(xù)增長(zhǎng)，溫室氣體排放總量在一定時(shí)期內(nèi)還將進(jìn)一步增加.在整個(gè)能源中，發(fā)電能源排放溫室氣體總量超過(guò) 40%.促進(jìn)發(fā)電能源部門的技術(shù)進(jìn)步和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，無(wú)疑是溫室氣體減排的重要著力點(diǎn).若只考慮發(fā)電廠能源轉(zhuǎn)化過(guò)程的直接溫室氣體排放，核發(fā)電本身不產(chǎn)生溫室氣體，核電是所謂的“零排放”電站，而實(shí)際上，核燃料的開(kāi)采、加工階段，電站建設(shè)、設(shè)備制造、運(yùn)輸和退役活動(dòng)也會(huì)消耗化石能源并產(chǎn)生溫室氣體排放.因此，在生命周期視角下，首先要考慮全能源鏈過(guò)程，即包括從燃料開(kāi)采，原材料加工、制造、運(yùn)輸，能源轉(zhuǎn)換（發(fā)電），到廢物處理和處置的全過(guò)程的（直接的）溫室氣體排放；其次也要考慮能源鏈系統(tǒng)及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施在建設(shè)、運(yùn)行和退役期間所消耗的能源和原材料（如鋼鐵、水泥等）在其開(kāi)采、加工制造過(guò)程產(chǎn)生的（間接的）溫室氣體排放.

20世紀(jì)90年代以來(lái)，歐洲、美國(guó)、日本等國(guó)家對(duì)核電能源鏈（簡(jiǎn)稱“核電鏈”）的生命周期溫室氣體排放開(kāi)展了較為廣泛的研究.歐洲國(guó)家對(duì)核電鏈的溫室氣體排放評(píng)價(jià)結(jié)果范圍為 6～12gCO2，eq/（kW·h）［1］，其中最小值是對(duì)法國(guó)的估算，假設(shè)使用了10%的MOX燃料（混合氧化燃料）并且100%由Eurodif（法國(guó)核燃料濃縮工廠）的擴(kuò)散廠生產(chǎn)；最大值是對(duì)德國(guó)的估算，假定使用了13% 的MOX燃料和綜合的鈾濃縮服務(wù)，即10%來(lái)自USEC（美國(guó)鈾濃縮公司）的擴(kuò)散廠（由燃煤提供的電力）和將近70%的濃縮服務(wù)假定由基于離心技術(shù)的URENCO（鈾濃縮公司）工廠提供（其能耗水平比USEC擴(kuò)散廠低65倍）.一些研究采用能源鏈分析法（PCA）計(jì)算了鈾礦開(kāi)采、冶煉及礦區(qū)恢復(fù)，鈾轉(zhuǎn)化，鈾濃縮，燃料元件制造，運(yùn)輸，核電廠建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)及改造、退役等相關(guān)活動(dòng)中的能耗和溫室氣體排放.例如，Torfs等［2］計(jì)算（比利時(shí)）

核燃料循環(huán)上游由于直接的能源利用而產(chǎn)生的溫室氣體排放的范圍在 4.7～13.6gCO2，eq/（kW·h）. Voorspools等［3］計(jì)算（比利時(shí)）核電廠建設(shè)、運(yùn)行和退役等階段的溫室氣體排放結(jié)果為 1.8～4gCO2，eq/（kW·h）.Tahara等［4］、Tokimatsu等［5］計(jì)算日本核電鏈的溫室氣體排放結(jié)果為 1.8～20.9gCO2，eq/（kW·h）.Ruether等［6］、Meier等［7］計(jì)算美國(guó)核電鏈溫室氣體排放結(jié)果為 3～17gCO2，eq/ （kW·h）.還有一些研究基于整理公開(kāi)發(fā)表的生命周期分析結(jié)果對(duì)世界上核電鏈的溫室氣體排放平均水平進(jìn)行了評(píng)價(jià).例如，Van De Vate［8］、Weisser［9］的評(píng)價(jià)結(jié)果分別為8.9、2.8～24gCO2，eq/ （kW·h）.從國(guó)際上研究結(jié)果來(lái)看，核電鏈的溫室氣體排放主要發(fā)生在核燃料循環(huán)的上游和下游.不同研究結(jié)果的差異主要是由于系統(tǒng)邊界設(shè)定的不同，采用的能源和材料的碳排放因子也有區(qū)別.

中國(guó)具有完整的核燃料循環(huán)體系，涵蓋了鈾勘探、鈾生產(chǎn)、鈾濃縮、燃料組件制造、核電廠建設(shè)和運(yùn)營(yíng)、廢物處理和處置的完整核能產(chǎn)業(yè)鏈.馬忠海、潘自強(qiáng)等［10］基于20世紀(jì)90年代中期我國(guó)已投運(yùn)的國(guó)產(chǎn)堆型核電站（即秦山核電站）的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和代表性的鈾礦開(kāi)采和冶煉的典型數(shù)據(jù)，計(jì)算我國(guó)核電鏈的溫室氣體排放系數(shù)為13.7gCO2，eq/（kW·h）.結(jié)果顯示：核電鏈各環(huán)節(jié)中，核電站運(yùn)行期間的溫室氣體排放最小，僅占14.5%，主要是由為維持核電正常運(yùn)行而引入的火電造成的（在計(jì)算涉及的火電時(shí)，核電運(yùn)行期間的火電采用1996年供電煤耗410gce/（kW·h），其他設(shè)施均采用 1985年的供電煤耗 431gce/ （kW·h））；另一個(gè)重要來(lái)源是核電鏈相關(guān)設(shè)施建設(shè)過(guò)程中各類建材在其制造過(guò)程中的溫室氣體排放，主要為水泥、碳鋼、銅和不銹鋼（合金鋼）等，這些因素占核電鏈的48.5%.

進(jìn)入 21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)核電開(kāi)發(fā)處于批量化、規(guī)?；目焖侔l(fā)展階段，為適應(yīng)核電發(fā)展需要，核燃料產(chǎn)能和技術(shù)水平也有整體提升.目前，二代和二代改進(jìn)型壓水堆核電機(jī)組是我國(guó)掌握和成熟的主流核電技術(shù)，已經(jīng)投入商運(yùn)的核電機(jī)組各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)處于世界中上等水平以上［11］.天然鈾的生產(chǎn)技術(shù)最初以常規(guī)采冶工藝為主，現(xiàn)已廣泛采用地浸、堆浸技術(shù).鈾濃縮已完成氣體擴(kuò)散法向氣體離心法的過(guò)渡，相同產(chǎn)量產(chǎn)品的能耗大大降低.與此同時(shí)，我國(guó)電力（火電）和其他工業(yè)行業(yè)（鋼鐵、水泥等）整體上提高能效而能耗水平逐年降低.可見(jiàn)，近 20年來(lái)我國(guó)核電鏈的溫室氣體排放情形已經(jīng)發(fā)生了新的變化.因此，有必要采用第一手調(diào)查結(jié)果和一些新的參數(shù)，補(bǔ)充一些以往缺乏資料環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)核電鏈的生命周期溫室氣體排放做更全面的評(píng)價(jià).

1　研究方法與范圍

1.1計(jì)算邊界

核電鏈的生命周期計(jì)算邊界見(jiàn)圖 1.核電鏈系統(tǒng)及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施在建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)行和退役期間涉及到大量的建筑材料、原材料、能源（電力、燃料）消耗，按照“統(tǒng)計(jì)主要因素，忽略次要因素”的原則，只計(jì)算對(duì)溫室氣體排放貢獻(xiàn)較大的，對(duì)于歸一化消耗量很少或?qū)倻厥覛怏w排放貢獻(xiàn)極小的（低于千分之一時(shí)），認(rèn)為其可以忽略.

1.2核算范圍

本研究參考生命周期分析［12-13］和碳足跡評(píng)價(jià)［14-18］有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)研究分析后確定了對(duì)核電鏈的生命周期溫室氣體排放的核算范圍：（1）原材料變化過(guò)程中產(chǎn)生的（包括所有能源消耗導(dǎo)致的）排放、原材料開(kāi)采和提煉過(guò)程中以及產(chǎn)生的廢棄物導(dǎo)致的排放.（2）能源的供應(yīng)（包括電力和熱力的生產(chǎn)）和使用過(guò)程（如煤燃燒）中產(chǎn)生的排放、上游排放（燃料開(kāi)采、加工以及運(yùn)輸至發(fā)電廠）、下游排放（如放射性廢物處理和處置過(guò)程）.（3）制造以及提供服務(wù)過(guò)程中的排放（如核電主要設(shè)備和部件的加工制造）.（4）保障運(yùn)行的設(shè)施的排放（如核電廠用于保障核安全和廠區(qū)工作生活的外購(gòu)電）.（5）運(yùn)輸過(guò)程的排放（包括原材料、燃料、產(chǎn)品及廢棄物）.（6）不予核算的內(nèi)容，包括人力使用導(dǎo)致的排放、消費(fèi)者導(dǎo)致的排放（如居民用電）、人員（上下班）的運(yùn)輸過(guò)程導(dǎo)致的排放等.

圖1　核電鏈的生命周期計(jì)算邊界Fig.1 System boundary of nuclear power chain life cycle

1.3計(jì)算公式

核電鏈的生命周期溫室氣體排放量計(jì)算公式如下：

式中：TE代表溫室氣體排放總量；ADp代表第 q階段中第 p類能源活動(dòng)水平；EFe代表相應(yīng)能源排放因子；DEi代表第i階段中第j類（材料/部件等）引起的排放.計(jì)算結(jié)果歸一化到單位發(fā)電量，即生產(chǎn)單位 kW·h電量排放的溫室氣體，單位為gCO2，eq/（kW·h）.

1.4碳排放因子

在溫室氣體排放計(jì)算時(shí)選取適當(dāng)?shù)奶寂欧乓蜃又翞橹匾?，本文采用中?guó)工程院“不同發(fā)電能源的溫室氣體排放關(guān)鍵問(wèn)題研究”項(xiàng)目經(jīng)調(diào)查研究后確定的各種燃料、材料的排放因子，見(jiàn)表1所示［19］.溫室氣體類別主要涉及CO2、CH4和N2O，按照其 100年時(shí)間周期的全球增暖潛勢(shì)（GWP）分別為1、25和298轉(zhuǎn)化為二氧化碳當(dāng)量（CO2，eq）進(jìn)行表示.

表1　燃料和材料的碳排放因子［19］Table 1 GHG emission factors of materials and fuels［19］

2　計(jì)算結(jié)果

2.1鈾礦采冶

我國(guó)鈾礦采冶包括常規(guī)采冶、原地浸出、地表堆浸、原地爆破浸出等工藝.8家鈾礦冶單位的主要材料和耗電量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 2［20］，基于平均值（即所調(diào)查鈾礦冶單位的材料和能源消耗總量除以調(diào)查單位個(gè)數(shù)）計(jì)算.鈾礦山的壽期按 30a設(shè)定.鈾礦采冶（包括鈾純化）的溫室氣體排放量為2.33gCO2，eq/（kW·h），見(jiàn)表3.

表2　8家鈾礦冶單位主要材料和耗電量統(tǒng)計(jì)Table 2 Materials and electricity consumption of uranium mining and milling from 8enterprises in China

2.2鈾轉(zhuǎn)化和鈾濃縮

鈾轉(zhuǎn)化是從精制UO2轉(zhuǎn)化到UF4和UF6的生產(chǎn).我國(guó)在甘肅礦區(qū)的鈾轉(zhuǎn)化生產(chǎn)廠采用干法工藝，已初步實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)和供應(yīng).鈾濃縮是從天然鈾生產(chǎn)濃縮鈾，主要工藝流程包括鈾氟化、同位素分離和還原三個(gè)部分.氣體擴(kuò)散技術(shù)是第一代工業(yè)鈾濃縮技術(shù)，能耗很大（約2400kW·h/kg SWU）；我國(guó)鈾濃縮已實(shí)現(xiàn)由氣體擴(kuò)散法向氣體離心法的過(guò)渡.氣體離心技術(shù)的能耗則低得多（約50kW·h/kg SWU）.鈾轉(zhuǎn)化和鈾濃縮設(shè)施建設(shè)過(guò)程中主要材料的消耗量［10］：水泥為7.26×10-1g/（kW·h），碳鋼為 1.17×10-1g/（kW·h），不銹鋼為9.08×10-4g/（kW·h），銅為3.09×10-2g/ （kW·h），鋁為 2.39×10-4g/（kW·h）.按鈾濃縮生產(chǎn)能力500t SWU/a計(jì)算.鈾轉(zhuǎn)化和鈾濃縮的溫室氣體排放量為1.15gCO2，eq/（kW·h），見(jiàn)表4.

表4　鈾轉(zhuǎn)化和濃縮的材料和能源消耗與溫室氣體排放量Table 4 Materials and energy consumption and GHG emission from uranium conversion and enrichment

我國(guó)鈾濃縮的擴(kuò)散工藝已完成退役（簡(jiǎn)稱“擴(kuò)散退役工程”）.擴(kuò)散退役工程包括主工藝設(shè)施、化工設(shè)施和輔助工藝設(shè)施，共有16個(gè)放射性廠房和10個(gè)非放射性廠房，主要材料是水泥和金屬（其中鋼材占到金屬用量的 90%以上），擴(kuò)散退役工程的溫室氣體排放量為 7.9×10-2gCO2，eq/ （kW·h），見(jiàn)表5.需要說(shuō)明，計(jì)算缺少能源消耗的統(tǒng)計(jì).

表5　擴(kuò)散退役工程的材料量與溫室氣體排放量Table 5 Materials and GHG emission from decommissioning of gaseous diffusion facilities

2.3燃料元件制造

壓水堆燃料元件生產(chǎn)的鈾原料為低濃縮度（235U）的 UF6，經(jīng)化工冶金工藝得到 UO2粉末，再經(jīng)壓制、燒結(jié)和磨削得到UO2陶瓷芯塊，裝入鋯管得到燃料棒，經(jīng)組裝得到燃料組件.我國(guó)壓水堆核燃料元件制造廠的UO2粉末制備有濕法（ADU）和干法（IDR）兩種工藝.元件制造過(guò)程中主要材料的消耗量［10］：碳鋼為 2.63×10-3g/（kW·h），鋯為1.70×10-3g/（kW·h）.燃料元件制造過(guò)程中的能耗參考國(guó)際上ETH數(shù)據(jù)庫(kù)（ETH Research Database）給出的直接耗能值 80MJth/kgU（熱能）和80MJe/kgU（電能）［19］.燃料元件制造的溫室氣體排放量為2.18×10-1gCO2，eq/（kW·h），其中由于材料引起的排放為 7.87×10-3gCO2，eq/（kW·h）、能源消耗引起的排放為2.10×10-1gCO2，eq/（kW·h）.

2.4核電站

目前我國(guó)主流核電技術(shù)是二代和二代改進(jìn)型的百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電機(jī)組.選取中國(guó)大陸第一座百萬(wàn)千瓦級(jí)大型商用核電站作為研究對(duì)象——以大亞灣核電站為例.核電站建設(shè)施工階段消耗的主要材料見(jiàn)表 6.反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、堆內(nèi)構(gòu)件等主要設(shè)備鍛件在其生產(chǎn)加工過(guò)程中的耗電量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表 7.核電站運(yùn)行期間仍需有部分外購(gòu)電作為補(bǔ)充，主要用于（在機(jī)組主變檢修或外部主電源失去情況下）保障提供廠用電和反應(yīng)堆安全停堆用電，以及向核電站廠區(qū)辦公和生活設(shè)施供電.外購(gòu)電情況見(jiàn)表8，扣除向其他核電工程施工提供的用電量，大亞灣核電站年均外購(gòu)電約為 1.39× 107kW·h.核電站生產(chǎn)運(yùn)行期間的能耗、負(fù)荷因子和發(fā)電量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表9.

表6　大亞灣核電站建設(shè)期間主要材料量Table 6 Materials used in construction of Daya bay nuclear power plant

表7　核電機(jī)組主要設(shè)備鍛件生產(chǎn)加工的耗電量Table 7 Electricity consumption of equipment and forgings manufacturing for nuclear power unit

核電站的壽期設(shè)定為60年［19］（目前我國(guó)已建核電站的設(shè)計(jì)壽命均為40年，在建核電站有設(shè)計(jì)壽命40年和60年兩種，其中采用EPR和AP1000三代技術(shù)的核電站設(shè)計(jì)壽命均為60年），這是因?yàn)椋菏澜缟虾芏鄧?guó)家已經(jīng)以法律的形式批準(zhǔn)了一批核電機(jī)組延壽，例如美國(guó)已有50座左右的核電機(jī)組完成了將壽命延長(zhǎng)到 60年的運(yùn)行執(zhí)照更新，韓國(guó)通過(guò)修訂定期安全評(píng)審（PSR）的法規(guī)將核電站壽命由 60年提高至 80 年.IAEA對(duì)此持肯定態(tài)度并正在開(kāi)展旨在延長(zhǎng)全球在役核電機(jī)組壽命項(xiàng)目（將壽命從40年延長(zhǎng)到 60年）.所以從技術(shù)層面，核電站的壽期可以達(dá)到60年.

表8　大亞灣核電站的外購(gòu)電情況Table 8 purchase of electricity of Daya bay NPP

表9　大亞灣核電站生產(chǎn)運(yùn)行期間的能耗、負(fù)荷因子和發(fā)電量Table 9 Energy consumption， load factor and power generation of Daya bay NPP during operation

大亞灣核電站的溫室氣體排放量為2.41gCO2，eq/（kW·h），見(jiàn)表 10.其中，核電廠建設(shè)階段材料消耗引起的排放為 4.51×10-1gCO2，eq/ （kW·h），約占總的19%；最大的是碳鋼占11%、其次是水泥占7%、不銹鋼/合金鋼占0.5%.核電站生產(chǎn)運(yùn)行期間由于外購(gòu)電（電源是燃煤發(fā)電）引起的排放為 1.96gCO2，eq/（kW·h），約占總的 81%；主要設(shè)備和部件生產(chǎn)加工過(guò)程的排放為 7.87× 10-3gCO2，eq/（kW·h），僅占總的0.3%.

表10　核電站建設(shè)和生產(chǎn)運(yùn)行期間的溫室氣體排放量Table 10 GHG emission from Daya bay NPP during construction and operation

2.5乏燃料后處理

對(duì)反應(yīng)堆乏燃料后處理是回收乏燃料中未燃盡的235U和新生的239Pu等易裂變材料，將鈾、钚與裂片元素和其他次要錒系元素分離，鈾、钚返回反應(yīng)堆循環(huán)利用，而廢物做進(jìn)一步的處理和處置.目前世界上普遍采用的后處理技術(shù)是水法Purex流程.我國(guó)動(dòng)力堆核燃料循環(huán)采取后處理的技術(shù)路線，目前核電乏燃料后處理中間試驗(yàn)廠（簡(jiǎn)稱“中試廠”）已建成并完成熱試，但中試廠不同于工業(yè)規(guī)模商用核電乏燃料后處理廠，其不僅處理能力小，開(kāi)工率無(wú)要求，而且還需兼容新工藝新技術(shù)的研發(fā)試驗(yàn).我國(guó)商用的大型乏燃料后處理廠處于立項(xiàng)和籌建階段，目前難以估計(jì)其建設(shè)施工的材料和能源消耗量.國(guó)際上，Rotty等［21］報(bào)道了1000MW輕水堆（LWR）乏燃料后處理的能耗水平：（電）能耗為 30GW·he/a，（熱）能耗為150GW·hth/a，合計(jì)約為80GW·he/a.可以認(rèn)為，我國(guó)未來(lái)建設(shè)的乏燃料后處理廠的能耗水平也在此范圍內(nèi)，據(jù)此估算乏燃料后處理設(shè)施運(yùn)行期間的溫室氣體排放量約為5.29gCO2，eq/（kW·h）.

2.6廢物處置

我國(guó)已在西北和廣東建成了兩座低、中放固體廢物處置場(chǎng)，對(duì)于高放固體廢物采取深地質(zhì)處置方案，預(yù)計(jì)在21世紀(jì)中葉建成一座國(guó)家深地質(zhì)處置庫(kù)，目前尚難以估計(jì)其建設(shè)施工和運(yùn)行期間的材料和能源消耗量.參考英國(guó)核工業(yè)放射性廢物處置公司（NIREX）給出的對(duì)高放廢物（HLW）、中放/低放廢物（ILW/LLW）處置中的基建能耗和電力消耗數(shù)據(jù)［21］，見(jiàn)表 11.假定核電站反應(yīng)堆卸下的乏燃料最終全部作為高放廢物處置，并且沒(méi)有考慮乏燃料臨時(shí)貯存期間（簡(jiǎn)稱“臨時(shí)貯存”）運(yùn)行和維護(hù)的能耗，則保守估計(jì)廢物處置的溫室氣體排放量為 4.33×10-1gCO2，eq/（kW·h）.需要說(shuō)明，世界上還沒(méi)有建成的高放廢物處置庫(kù)，放射性廢物處置的能耗數(shù)據(jù)和溫室氣體排放量都是較粗略的估計(jì)值.

表11　放射性廢物處置的能耗需求［21］Table 11 Energy requirement of ILW/LLW and HLW waste management［21］

2.7運(yùn)輸

核電鏈系統(tǒng)相關(guān)的運(yùn)輸過(guò)程主要有：鈾礦冶系統(tǒng)的鈾礦石和鈾礦石加工的濃縮物（重鈾酸銨、三碳酸鈾酰銨和U3O8），鈾精制轉(zhuǎn)化階段的鈾化合物（UO2、UF4和UF6）的轉(zhuǎn)運(yùn)，以及核反應(yīng)使用的燃料元件、卸下的乏燃料的運(yùn)輸?shù)?核電鏈系統(tǒng)相關(guān)設(shè)施建設(shè)階段還有各種原材料、設(shè)備和部件等的運(yùn)輸.總的來(lái)看，由于核燃料的能源強(qiáng)度高（一座百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電機(jī)組，每年僅耗用約25t核燃料），相關(guān)運(yùn)輸過(guò)程對(duì)核電鏈的溫室氣體排放的整體貢獻(xiàn)是相當(dāng)小的（低于千分之一），予以忽略.

2.8核電鏈的總的溫室氣體排放量

現(xiàn)階段我國(guó)核電鏈（核燃料循環(huán)前段、核電站）的實(shí)際溫室氣體排放量為 6.2gCO2，eq/（kW·h），若考慮核燃料循環(huán)后段（乏燃料后處理與廢物處置）則總的溫室氣體排放量為11.9gCO2，eq/（kW·h），見(jiàn)表12.其中，核電站占20%、其他核燃料循環(huán)設(shè)施占80%（核燃料循環(huán)前段占32%、核燃料循環(huán)后段占 48%）.從溫室氣體的來(lái)源看，由材料引起的排放占16%，由能源消耗引起的排放占84%.材料引起的排放中，水泥占36%、碳鋼占31%、（工藝用）煤占24%、銅占6%、不銹鋼占1.5%、鋁占 1.1%.能源消耗主要是電耗，而我國(guó)發(fā)電能源主要是煤電，因此，從根本上說(shuō)，我國(guó)核電鏈的溫室氣體排放的大部分仍然歸結(jié)于燃煤.

表12　核電鏈的生命周期溫室氣體排放量［gCO2，eq/（kW·h）］Table 12 GHG emission of nuclear power chain life cycle in China［gCO2，eq/（kW·h）］

3　分析與討論

3.1結(jié)果分析

核電鏈的溫室氣體排放計(jì)算結(jié)果受調(diào)查數(shù)據(jù)的全面性、完整性以及生命周期邊界追溯范圍等因素影響.與國(guó)際上應(yīng)用同類方法的研究結(jié)果相比，核燃料循環(huán)前段的溫室氣體排放范圍在4.7～13.6gCO2，eq/（kW·h），核電鏈的總的溫室氣體排放范圍在 9～30gCO2，eq/（kW·h），我國(guó)的結(jié)果也在這一范圍內(nèi).現(xiàn)階段我國(guó)核電鏈的溫室氣體排放量11.9gCO2，eq/（kW·h）比20世紀(jì)90年代中期評(píng)價(jià)結(jié)果13.7gCO2，eq/（kW·h）有所降低，主要是因?yàn)榧夹g(shù)進(jìn)步促進(jìn)了節(jié)能降耗.一方面，我國(guó)核電鏈系統(tǒng)有了整體的技術(shù)進(jìn)步：如地浸、堆浸工藝技術(shù)在鈾礦冶領(lǐng)域的應(yīng)用，比常規(guī)攪拌浸出工藝提高了生產(chǎn)效率和降低了能耗；氣體離心法代替氣體擴(kuò)散法的鈾濃縮技術(shù)，使相同產(chǎn)量的工廠規(guī)模更小而能耗降低很多（離心法的能耗約為擴(kuò)散法的2%）.另一方面，火電和其他相關(guān)工業(yè)（鋼鐵、水泥）行業(yè)提高能效、能耗水平逐年降低，例如供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗從1995年的412gce/（kW·h）下降到2010年的333gce/（kW·h），噸鋼綜合能耗從1996年的1392kgce/t下降到2010年730kgce/t.然而，目前我國(guó)水泥、鋼鐵（不銹鋼）等相關(guān)行業(yè)整體能耗水平與國(guó)際先進(jìn)水平相比仍有一定的差距，如果水泥、鋼鐵（不銹鋼）等行業(yè)的整體能耗水平能夠再降低 10%，則核電鏈的溫室氣體排放還能夠降低1.6gCO2，eq/（kW·h）.

3.2討論

核設(shè)施退役是生命周期的最后一個(gè)階段，很多被放射性活化的部件需要進(jìn)行去污處理，核設(shè)施通常還有幾十年不等的“安全封閉期”（以使短壽命放射性核素衰變，降低其放射性活度）.乏燃料臨時(shí)貯存、核設(shè)施“安全封閉”和退役活動(dòng)中都有能源和材料的消耗，因而也會(huì)產(chǎn)生溫室氣體排放.目前國(guó)內(nèi)外研究中都缺乏上述過(guò)程的能量消耗數(shù)據(jù)，一些研究“估計(jì)核電站退役的能源消耗是建造核電站的 30%～50%，但這取決于具體的退役方案和安全封閉期的長(zhǎng)短，有很大的不確定性，因而這樣的估計(jì)可能不具有代表性”［3］，而且還涉及到廢物管理和廢物處置政策等因素.針對(duì)這些問(wèn)題，有必要進(jìn)一步開(kāi)展詳細(xì)研究.

核電鏈的生命周期各個(gè)階段都有材料再循環(huán)再利用的機(jī)會(huì)，例如核設(shè)施退役產(chǎn)生的被輕微放射性污染的金屬?gòu)U料可用于制作廢物容器、污染設(shè)備的零散部件經(jīng)去污后可以在核工業(yè)中有限制的再利用等.對(duì)可回收的有價(jià)值材料的再循環(huán)再利用，能夠減少?gòu)U物產(chǎn)生量和節(jié)約能源、減少溫室氣體排放.有必要開(kāi)展核設(shè)施廢物流中材料再循環(huán)再利用與減少溫室氣體排放的進(jìn)一步研究.

2014年11月，中美兩國(guó)共同發(fā)布了“中美氣候變化聯(lián)合聲明”，我國(guó)明確了到 2030年左右二氧化碳排放達(dá)到峰值且將努力早日實(shí)現(xiàn)，并計(jì)劃到2030年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重提高到20%左右.核電是低碳能源，發(fā)展核電代替一定規(guī)模的煤電提供一次能源，每1kWh電力生產(chǎn)能夠減排大約1kg二氧化碳（煤電鏈的生命周期溫室氣體排放量為 1072.4gCO2，eq/（kW·h）［19］），減排溫室氣體的潛力很大.核電是未來(lái)我國(guó)低碳能源發(fā)展中的重要組成部分.

4　結(jié)論

4.1在生命周期視角下，我國(guó)核電鏈（鈾礦采冶、鈾轉(zhuǎn)化和鈾濃縮、燃料元件制造、核電站）的實(shí)際溫室氣體排放量為 6.2gCO2，eq/（kW·h），若考慮核燃料循環(huán)后段（乏燃料后處理與廢物處置）則總的溫室氣體排放量為11.9gCO2，eq/（kW·h）.其中，由材料引起的排放占 16%，能源消耗引起的排放占 84%.對(duì)溫室氣體排放貢獻(xiàn)較大的材料主要是水泥、鋼材（各類碳鋼、不銹鋼/合金鋼）、銅、鋁等，還有石灰和少量硝酸等多類化學(xué)試劑貢獻(xiàn)很小.能源消耗主要是電力、（少量的）燃料，而我國(guó)發(fā)電能源主要是煤電，因此，從根本上說(shuō)，我國(guó)核電鏈的溫室氣體排放的大部分仍然歸結(jié)于燃煤.

4.2當(dāng)前我國(guó)核電鏈的溫室氣體排放量比 20世紀(jì)90年代中期有所降低，主要原因是近20年間核電鏈系統(tǒng)整體技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)了節(jié)能降耗和電力、鋼鐵、水泥等相關(guān)行業(yè)能耗逐年降低.鼓勵(lì)可回收的材料再循環(huán)再利用，提高資源利用效率，加快核電產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)升級(jí)，以及相關(guān)工業(yè)部門進(jìn)一步節(jié)能降耗，核電鏈的溫室氣體排放仍有降低的空間.

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致謝：本研究得到中國(guó)核電工程公司的楊利榮研究員、華北電力大學(xué)的劉廣建博士、清華大學(xué)的麻林巍博士、中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)的劉永東高級(jí)工程師、中國(guó)原子能科學(xué)研究院的劉森林研究員和王春紅、焦志娟、張燕齊等同事的大力支持和幫助，在此表示感謝.

Greenhouse gas emissions from nuclear power chain life cycle in China.

JIANG Zi-ying1*， PAN Zi-qiang2， XING Jiang3， YU Fan1（1.China Institute of Atomic Energy， Beijing 102413， China；2.China National Nuclear Corporation，Beijing 100822， China；3.China Environmental United Certification Center Corporation， Beijing 100029， China）.

China Environmental Science， 2015，35（11）：3502～3510

Based on PCA （process chain analysis） and LCA （life cycle analysis） methods， first-hand survey data and some new parameters were used to calculate greenhouse gas （GHG） emissions from nuclear power chain life cycle in China. The results showed that the present actual GHG emissions from front-end of nuclear fuel cycle and nuclear power plant is 6.2gCO2，eq/（kW·h）， and the total of nuclear life cycle （also including fuel reprocessing and radioactive waste disposal） is 11.9gCO2，eq/（kW·h）. Nuclear power is low-carbon energy and has obvious potential of GHG emissions reduction that is about 1kgCO2，eqreduction per 1kW·h electricity generation if nuclear power replacing some coal power. By upgrading nuclear industry technologies， encouraging materials reuse/recycle and sustainable energy saving， the GHG emissions from nuclear power chain would be further reduced.

nuclear power；fuel cycle；life cycle analysis；greenhouse gas emissions

X51

A

1000-6923（2015）11-3502-09

2015-04-07

中國(guó)工程院咨詢項(xiàng)目“不同發(fā)電能源的溫室氣體排放關(guān)鍵問(wèn)題研究”

* 責(zé)任作者， 副研究員， jziying@163.com

姜子英（1980-），男，遼寧大連人，副研究員，博士，主要從事能源與環(huán)境、天然輻射等方面研究.發(fā)表論文20余篇，專著1部.