“碳達峰、碳中和”背景下核能利用淺析

邢　繼，高　力，霍小東，吳宇翔，董業旻，羅一博

“碳達峰、碳中和”背景下核能利用淺析

邢繼，高力*，霍小東，吳宇翔，董業旻，羅一博

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

在碳達峰、碳中和（簡稱“雙碳”）目標下，我國能源體系將加速清潔低碳化轉型。與傳統化石能源的高碳排放不同，核能具有全壽期碳排放量小，能量密度高、能抵御極端惡劣自然條件、保障電力供應安全穩定等優點，是我國能源體系轉型必不可少的能源形式。本文通過梳理分析我國能源體系的發展現狀，分析核能在發電、供熱、海水淡化、制氫等領域的發展機遇，提出了核能高質量發展需要關注的問題和建議，為解決如何“積極有序發展核電”提供思路。

碳達峰；碳中和；低碳；核能

最近20年，全球變暖、冰川融化、海平面上升、霧霾等一系列極端天氣現象表明溫室效應帶來的氣候變化正嚴重影響著人類的生存環境。《巴黎協定》提出了控制全球溫升的目標，長期目標是將全球平均氣溫較前工業化時期的上升幅度控制在2 ℃以內，優化目標是將溫度上升幅度限制在1.5 ℃以內[1]。

2020年9月22日，習近平總書記鄭重提出“碳達峰，碳中和”的戰略愿景目標。我國此后發布了一系列新舉措，努力促進“雙碳”目標的實現，彰顯大國擔當。近期發布的《2030年前碳達峰行動方案》提出了“碳達峰十大行動”并明確了2025年的具體減排目標。

能源是經濟社會發展的重要物質基礎，也是碳排放的最主要來源，在保障能源安全的前提下，加快構建清潔低碳安全高效的能源體系至關重要[2]。核能具有全壽期碳排放量小、能量密度高、能抵御極端惡劣自然條件、保障電力供應安全穩定等優點，是我國能源體系轉型必不可少的能源形式。在“雙碳”目標下，核能與其他可再生能源協調發展，在發電、供汽、供熱、海水淡化、制氫等領域將有更多發展機遇[3]。

2　能源發展趨勢

2020年12月，習近平總書記在氣候雄心峰會上進一步宣布，“到2030年，中國單位國內生產總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億m3，風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億kW以上。”《2030年前碳達峰行動方案》進一步補充，“到2025年，非化石能源消費比重達到20%左右，單位國內生產總值能源消耗比2020年下降13.5%，單位國內生產總值二氧化碳排放比2020年下降18%。”

國際可再生能源署（IRENA）預計2050年全球電力消費中約有86%的電力來自非化石能源（可再生能源和核能）。截至2020年底，我國可再生能源發電裝機總規模達到9.3億kW，占總裝機的比重達到42.4%，非化石能源占一次能源消費比重達15.9%。為實現“雙碳”目標，中國能源結構將經歷快速調整，碳排放“達峰”后逐步加速下降，非化石能源占比將不斷提升，化石能源低碳化趨勢將持續加強，這意味著清潔低碳能源進入快速發展機遇期[4,5]。

“雙碳”目標的提出，為核電發展創造了新的政策機遇期。英國國家核實驗室發布的《英國能源系統建模報告》指出“從發電角度，將核能排除在能源組合之外會導致電網容量大幅增加，造成發電與輸電成本的上升”。英國政府發布的能源白皮書《為零碳未來提供動力》指出“2050年低成本、低排放的電力系統將需要額外核能”。日本經濟產業省2020年發布的《綠色增長戰略》具體提出了14個產業的發展目標和重點任務，核能產業是其中之一。我國2021年《政府工作報告》中明確提出“在確保安全的前提下積極有序發展核電”，這是近十年來首次用“積極”一詞來表述核電。《中共中央國務院關于準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作意見》中，再次提及“積極安全有序發展核電”和“積極穩妥推進核電余熱供暖”。2021年10月26日，國務院印發《2030年前碳達峰行動方案》，將“積極有序發展核電”列入能源綠色低碳轉型行動的重點任務。

3　核能發電

核電作為“零碳”能源體系的基荷電源，技術成熟、運行穩定，是目前唯一可以大規模替代煤炭為電網提供全天候穩定可靠電力的電源。

根據中國能源大數據報告，2020年全國6 000 kW及以上電廠發電設備累計平均利用小時數為3 758小時，其中核電設備利用小時數7 453小時，約為平均利用小時數的2倍且同比提高了59小時，如表1所示。當前的基荷能源火電設備利用小時數為4 216小時，比核電少3 237小時。可以看出，核電作為可大規模替代火電的基荷電源，在可利用小時數上優勢十分明顯，凸顯了核電不易受自然條件影響、穩定可靠的特點。

表1　2012—2020年發電設備利用小時數

根據2021年4月《中法核能報告（二期）核能與環境》，以二代改進型百萬kW級壓水堆機組測算，我國核電全產業鏈、全生命周期溫室氣體排放量為11.9 g CO2,eq/（kW·h）。不考慮核燃料循環后段（乏燃料后處理與廢物處置），則為6.2 g CO2,eq/（kW·h）。如圖1所示，核能是全生命周期碳排放最小的發電技術之一，其排放水平與風電相當，比光伏低很多。

圖1　不同電力技術全壽期碳排放當量

國際經濟合作與發展組織（OECD）與國際能源署研究指出能源供應成本包括電廠成本、電網系統成本與外部成本。盡管核電廠的初期投入巨大，建設成本與電網輸配電成本較高，但考慮到燃料成本較低，且新型核電廠的設計壽命達到60年（具備延壽能力），可以有效展平成本，相比其他能源發電方式，核電具有無可比擬的優越性。同時應該注意的是，隨著全球大氣碳濃度的上升與碳中和目標的臨近，碳匯、碳稅、綠證等碳排放成本將持續上升[6]，高碳能源的環境成本將顯著增加，從而進一步利好于低碳的核電發展。

我國核能利用以發電為主，截至2021年10月底，我國在運核電機組總數51臺，總裝機容量為5 327.5萬kW；在建核電機組20臺，裝機容量2 269萬kW，在運、在建機組數量分別居世界第三和第一。2019年全球核能發電量占比約10.4%，在非化石能源中發電量占比約27.8%，在經濟總量排名靠前國家中，發達國家核能占一次能源消費比例多年保持在4%～9%，而2019年中國核能一次能源消費占比僅約 2%，發電量占比約4.7%，發電量在非化石能源中占比約14%，均遠低于發達國家和世界平均水平，未來發展空間很大。本文結合國內機構對未來核能發展規模預測（見圖2），給出了2030和2060年核電規模預測：預計2030年，我國核電裝機容量1.2億kW左右，占總發電量的8%左右；2060年，我國核電裝機容量4億～5億kW，占總發電量的20%左右。按典型三代自主知識產權“華龍一號”單臺功率為120萬kW，核電建設周期為5年考慮，2021—2025年每年開工建設7～8臺、2026—2045每年開工10～12臺百萬千瓦級三代壓水堆機組為較為現實的目標，以中國現有能力完全可以實現。

圖2　國內機構對核能發展規模預測

在構建以新能源為主體的電力系統中，我國能源體系面臨著發電量不穩定、新能源消納不足、低碳基荷能源欠缺等問題[7]。核電作為清潔低碳基荷能源，對于支撐電網消納高比例新能源的作用凸顯，核電與新能源、儲能等協同發展的局面將加快形成，對于“雙碳”目標的實現至關重要[8]。

4　核能多用途利用

在世界范圍內，將核能用于電力生產以外的領域正呈現前所未有的勢頭，核能的非電力應用潛力巨大。根據國際原子能機構（IAEA）發布的《2021年核技術評論》，截至2020年12月31日，全球共有442臺運行機組，僅64臺在運核電機組產生熱量以支持核能的非電力應用。其中，8臺支持海水淡化，56臺支持區域供熱和工藝過程熱應用。

可以預期的是，隨著“雙碳”戰略的推進和核能技術的不斷發展，“核電+”將成為一種核能應用的新發展模式。核能將不僅僅扮演提供電力的角色，在核能制氫、區域供熱、海水淡化等多種非電綜合利用[9,10]領域都將發揮功能，從而更有效的保障我國能源體系的穩定、安全與高效。

4.1　供熱

核能供熱在國際上已有不少先例，目前全球約有56座商用反應堆發電的同時，產生熱水或蒸汽用于區域供熱，主要分布于東歐。這些項目合計超過1 000堆年的運行經驗驗證了核能供熱的安全性與可靠性。

國家發改委、國家能源局等10部委于2017年聯合印發的《北方地區冬季清潔取暖規劃（2017—2021）》指出：“加強清潔供暖科技創新，研究探索核能供暖，推動現役核電機組向周邊供暖，安全發展低溫泳池堆供暖示范”。

繼山東海陽核電建成投運國內首個核能商業供熱項目后，以秦山核電廠為依托的海鹽縣核能供暖節能工程示范項目目前也正在推進建設。此外，黑龍江、吉林、遼寧等地小型模塊化供熱堆、大型熱電聯產核電項目也在開展項目前期工作。中核集團的“燕龍”池式供熱堆已落地吉林省遼源市。

大型電站供暖方面，其供熱原理是從核電機組二回路抽取蒸汽作為熱源，通過廠內換熱首站、廠外供熱企業換熱站進行多級換熱，經市政供熱管網將熱量傳遞至最終用戶。多級換熱過程中沒有介質交換，因此不存在放射性物質泄漏風險。對于中核集團的“燕龍”池式反應堆，反應堆熱容量大，即使不采取任何余熱冷卻手段，池水可確保堆芯不會裸露。嚴重事故下，反應堆可實現自動停堆，即使無任何干預，也可實現26天堆芯不熔毀。核能供熱的安全性有充分的保證。

當前中國北方地區城鄉供熱面積總計約200億m2，假設2030年、2060年分別有8%、20%供熱需求由核能提供，按照供熱量50 W/m2測算，分別相當于0.8億kW和2億kW供熱功率。核能區域供熱的發展前景將會十分廣闊。

關于工業蒸汽的供應，在現有技術水平、產業布局與監管框架下，蒸汽傳輸路線較長，熱量損失較大，經濟性方面不具備優勢。我國高溫堆技術示范效果良好，與壓水堆相比，其最大的特點在于可提供高溫工藝蒸汽。在“雙碳”背景下，若天然氣價格上漲，來源于天然氣的工業蒸汽價格也將被動上漲，而高溫堆的成本構成中，核燃料成本占比較低，對于原材料成本價格不敏感，高溫堆供應高溫工藝蒸汽的經濟性將得到凸顯，有望在工業蒸汽方面得到發展與應用。

4.2　海水淡化

我國是一個干旱缺水嚴重的國家，人均淡水資源量僅為世界平均水平的1/4，被聯合國列為13個貧水國之一。我國海水資源量巨大，成本低廉，將海水淡化使用是實現水資源可持續利用，保障沿海地區經濟可持續發展的重大舉措，極具發展潛力。

世界上海水淡化的方法主要有多級閃蒸、多效蒸發和反滲透膜等工藝，前兩種是耗熱工藝，后一種是耗電工藝，無論采用哪種工藝都需要能源供應。目前大多數海水淡化均使用化石燃料，產生大量碳排放，環境效果較差。利用核能進行海水淡化將一舉多得：首先核能可為海水淡化提供大量的廉價能源，可降低海水淡化的成本；其次利用核能可緩解能源供求矛盾，優化能源結構；同時利用核能可解決大量燃燒化石燃料造成的環境污染問題；減少海水排放所產生的余熱浪費和熱污染問題。20世紀90年代以來，核能應用于海水淡化技術得到了國際原子能機構和世界許多國家的廣泛重視。

利用核能進行海水淡化主要是以大型核電機組或低溫供熱堆與海水淡化廠耦合的形式來實現的。依托濱海核電機組建設海水淡化廠是目前比較成熟的方案，紅沿河、寧德、三門、海陽等多座核電廠已采用。以紅沿河核電廠為例，2016年紅沿河核電廠海水淡化系統投運，是我國核電機組中首個海水淡化系統，正常情況下產水規模為1.3萬t/天。低溫供熱堆僅提供蒸汽，不產生電力，具有投資少、靈活機動、建設周期短等優勢，適合與多效蒸發和多級閃蒸工藝相耦合。此外，低溫供熱堆功率規模較小、系統簡單，適用于一些淡水短缺的發展中國家，海外市場空間較為廣闊。小型堆、浮動堆海水淡化的相關技術正在研究中。

根據中國水利部數據預測，2030年中國人均水資源量僅有1 750 m3，用水總量為7 000億～8 000億m3。假設2030、2060年中國需水量分別增加1 300億和2 300億m3，核能海水淡化占比分別為8%、20%，按能耗4 kWh/m3測算，即2030、2060年新增核能淡化能力分別為104億和460億m3，相當于540萬kW和2 360萬kW核電裝機。

4.3　制氫

氫能是推動傳統化石能源清潔高效利用和支撐可再生能源大規模發展的理想工具，也是實現交通運輸、工業和建筑等領域大規模深度脫碳的最佳選擇。在“雙碳”目標下，低碳制氫受到越來越多的重視。美國、日本、英國、法國、韓國等多個國家已制定并實施了氫能發展規劃，核能制氫是其中著重考慮的方向之一。

2019年，我國煤、天然氣制氫占比達77.4%。目前，我國氫氣生產仍主要以石化原料制取的灰氫為主，不能滿足氫氣制備無碳排放的需求。核能制氫可實現氫的大規模、持續、穩定生產，且不產生溫室氣體，可以滿足化工、鋼鐵等行業的龐大用氫需求。

核能制氫主要有傳統電解水制氫、高溫蒸汽電解制氫和硫碘循環工藝制氫3類。電解水制氫是利用核能發電進行的，目前這一路線的制氫效率僅有30%左右，并不適用于規模化制氫。硫碘循環工藝制氫由于需要硫酸、氫碘酸、碘以及這些物料的混合物參與，對材料抗腐蝕性能要求很高，考慮到材料耐久性問題，仍需相當時間的技術積累，目前無法商業化。通過固體氧化物電解池進行高溫蒸汽電解制氫或通過生物質高溫制氫，比普通電解耗能更少、效率更高，但需要600 ℃的高溫環境，高溫氣冷堆可以提供相應蒸汽，具有廣闊的發展前景。高溫氣冷堆是我國擁有自主知識產權、具有第四代核能特征的先進反應堆技術，具有安全性好、堆芯出口溫度高等特點，被認為是目前最適合核能制氫的堆型。我國高溫氣冷堆制氫技術已有較好的研發基礎，具備開展中試的技術條件，支持熱化學循環和耦合生物質同時，制氫效率超過45%，與高溫堆熱匹配性好且成本較低，適合大規模制氫。

根據中國氫能聯盟的預測數據，2030年氫氣需求將達到3 500萬噸，2060年將達到1.3億t左右。保守假設2030年、2060年分別有8%、20%制氫產能由核能提供，按照某核能制氫示范裝置效率計算，相當于分別約1 500萬kW和13 870萬kW熱功率。

綜合上述分析，結合“雙碳”目標及目前我國核能綜合利用領域的現狀和相關規劃、政策，本文梳理出核能綜合利用領域具有發展潛力的應用方向，并給出規模預測，如表2所示。

表2　核能綜合利用規模預測

5　核能高質量發展需要關注的問題和建議

5.1　核能在新型能源體系中的定位問題

“雙碳”背景下，能源系統清潔低碳轉型過程中，各類能源形式的地位和作用都將發生變化。我國能源稟賦和用能負荷不均衡，風電、光伏等能源形式的波動性和間歇性可能無法支撐超巨大體量的電力供應。

核能一方面要持續積極有序發展，提高裝機容量和裝機占比，替代高碳排放的化石能源承擔基荷角色；另一方面要積極創新突破，與風、光、儲能等互補協同、互通融合，推進核能的智慧化、靈活化發展，通過“超、大、中、小、微”不同容量的裝機配合，“海、陸、空、天”多重空間布局，開拓供熱、海水淡化、制氫等核能綜合利用市場，確立核能在碳中和能源體系中的重要位置。

5.2　安全和公眾接受性問題

核安全是核能行業的生命線。隨著中國發展進入新時代，黨和國家對確保核安全的要求更嚴、標準更高，人民群眾對核安全的關注更多、期待更高，核安全這個基礎問題必須得到徹底的貫徹與切實的保障。

福島核事故后，世界各國汲取事故教訓，新建核電廠的安全性能持續提升，三代核電已從設計上可消除大量放射性物質釋放的可能性。因此，要加大對核能技術安全性的科普，消除公眾對核電的陌生感和恐懼感，在公眾核安全宣傳、輿論導向、核能接受性的環節下大力氣開展工作，提升公眾對核能的認可和接受度。

5.3　核燃料循環產業鏈配套問題

核燃料循環在核能發展中占據重要地位，主要分為三個階段：核燃料循環前段（核燃料進入反應堆前的工藝過程）、核燃料元件在反應堆中使用及核燃料循環后段（主要包括乏燃料后處理、放射性廢物管理等）。按照目前我國核電發展規劃目標的要求，天然鈾需求量大，國內產能低，對外依存度較高，急需建立鈾產品和資源儲備體系；新型設計反應堆設計正在涌現，如何確保新型反應堆所需的新型燃料是需要進一步研究和思考的內容；核燃料循環后段存在與核電發展規模不相適應，尤其是乏燃料后處理、退役和高放廢物地質處置等方面不能協調發展、步調一致。

建議建立穩定的天然鈾保障供應體系，形成國家儲備、企業集團儲備和核電企業儲備互相銜接、互為支撐的流通使用機制；建立國內鈾資源開發、海外鈾資源開發、國際鈾產品貿易開發的鈾資源開發保障體系。積極部署ATF等先進燃料和材料技術研發工作，早日引領國際先進核燃料和材料發展。大力推進后處理能力建設與放射性廢物管理工作，一體化統籌規劃乏燃料后處理與再循環，掌握示范快堆MOX燃料元件生產線設計技術，突破大型后處理廠技術、先進后處理技術和干法后處理技術。

5.4　核能經濟性問題

據國際可再生能源際署統計，2010年以來，光伏、光熱、電池儲能、陸上風電和海上風電等新能源技術成本分別下降82%、47%、71%、38%和29%。目前我國地面光伏電站和平緩地帶風電場，已普遍可接受0.30～0.40元/（kW·h）的上網電價，而且成本仍在大幅下降。當然上網標桿電價不等于真實成本，還要考慮國家補貼等各方面因素在內，但是風電和光伏成本下降速度遠遠快于核電是不爭的事實。三代核電在安全性要求持續提高、新建項目成本不斷攀升的背景下，核能的非電多用途利用同樣涉及經濟性問題，提升核能經濟性迫在眉睫。

建議進一步扶植培育整個產業鏈，營造良好的市場環境，不斷開拓創新，牢牢掌握核心技術，貫徹“創新、協調、綠色、開放、共享”新發展理念，讓核能成為經濟上有優勢、對社會有助益、發展成果可共享的綠色產業，在全球新一輪核能發展中占據主動地位。

5.5　內陸核電與廠址儲備問題

根據前述報告對于未來我國核電裝機量的預測，為了實現預測目標并保持核電發展節奏的穩定，預計每年新開工建設機組數量在“十四五”期間將達到7～8臺，每年新開工數量在“十五五”往后還有增加的可能，預計到2050年將新增超200臺核電機組。經歷了30多年的開發利用，沿海廠址已經開發相對比較完全，預計到2035年沿海廠址實際發開利用完畢，而廣闊的內陸廠址卻遲遲沒有得到實質性利用。長遠來看沿海廠址已不足以支撐滿足我國核電發展，建議加強對已經完成前期工作內陸廠址的保護，積極推進廣闊的內陸廠址開發。

世界上其他國家的核電廠在內陸沿海都是同步建設的，包括我國在巴基斯坦內陸恰希瑪建成投運的4臺30萬kW核電機組。因此，在我國內陸除規劃建設小堆、高溫氣冷堆外，也要推進大型壓水堆的落地。建議加快開展內陸壓水堆核電的型號技術研究，聚焦進一步提升核電的環境友好性，提升正常與事故情況下的核與輻射安全水平，如采用新技術實現“近零排放”、不依賴江河水源、簡化甚至取消場外應急、減少放射性廢產量等，為更好推動內陸核電發展創造條件。

此外，核電廠在火電廠址復用方面有著較為廣闊的市場前景。目前我國30萬kW及以下火電機組裝機容量約占40.51%，“雙碳”戰略下，關停已是大勢所趨。高溫氣冷堆等核電堆型在主蒸汽參數方面與常規火電超高壓機組參數基本相當，可同時承接火電廠退役后電用戶、熱用戶，直接和原有管網系統、原有出線走廊對接，無需新建電力和蒸汽輸出設施。經評估和少量改造后，火電廠現有配套設施可直接用于核電廠，降低項目建造和運營成本。

6　小結

“雙碳”背景下，我國能源體系將向著多元化、清潔化的方向發展。結合中國能源體系現狀和核能的技術特點與發展現狀以及未來發展中實現“雙碳”目標的需求進行分析，可以看出核能在發電、供熱、海水淡化、制氫等方面有著廣闊的發展前景。同時，核能行業在戰略定位、安全性與公眾接受、經濟性、內陸核電與廠址儲備等方面仍存在問題，需要國家和行業共同努力加以解決。

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Analysis of Nuclear Energy Utilization under the Background of “Carbon Peaking and Carbon Neutrality”

XING Ji，GAO Li*，HUO Xiaodong，WU Yuxiang，DONG Yemin，LUO Yibo

（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100840，China）

Under the goal of carbon peaking and carbon neutrality，China’s energy system will speed up the transformation towards clean and low-carbon. Different from the high carbon emission of traditional fossil fuels，nuclear energy has advantages like low carbon emission，high energy density，resistance of extreme natural conditions and guarantee of safe and stable electricity，etc. It’s an essential part of China’s energy system transformation. By reviewing and summarizing the current situation of China’s energy system，this paper analyzes the developing opportunities of nuclear energy in the area of electricity generation，heating，desalination，hydrogen production，etc. It puts forwards problems need to be paid attention and suggestions on the high quality development of nuclear energy，and provides an idea for developing nuclear energy in a positive and orderly way”.

Carbon peaking；Carbon neutrality；Low carbon；Nuclear energy

TK01

A

0258-0918（2022）01-0010-08

2021-12-15

邢繼（1964—），男，河北青縣人，碩士，研究員級高級工程師，現主要從事核電研發方面研究

高力，E-mail：gaoli@cnpe.cc