“雙碳”背景下核技術的潛在優勢與應用及其創新研究

摘要：實現碳達峰碳中和是我國乃至全球共同的目標。核技術作為一種高效、清潔的能源利用形式，其在降低碳排放方面具有顯著優勢。在“雙碳”背景下，通過分析核技術在能源、工業、農業等領域的應用，探討核技術利用中降低碳排放的路徑及安全保障，提出推進核技術利用以降低碳排放的建議和展望，為相關領域和實踐提供參考。

關鍵詞：雙碳；核技術；優勢；節能降碳

引言

隨著全球經濟的持續發展和人口的不斷增長，能源消耗和碳排放量急劇上升，導致全球氣候變化問題日益突出。碳達峰碳中和日益成為全球應對氣候變化、減少溫室氣體排放的重要政策目標。為此，我國提出了力爭2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和的目標，即“雙碳”目標。此舉對于應對氣候變化、推動可持續發展、保護生態環境、促進技術創新、樹立國際形象和引導綠色消費等方面都具有重要意義。此外，歐盟提出了“綠色協議”，旨在2050年實現碳中和。美國也重新加入了巴黎協定，并設定了旨在2050年實現碳中和的目標。

為了實現碳中和目標，各國都在積極探索新的能源技術和降碳方法，涉及到多個領域的技術創新，包括加快能源結構調整（如增加可再生能源比例）、提高能效、推廣電動汽車、發展碳捕集與封存技術（CCS）、實施碳定價機制等。而核技術作為一種高效、清潔的能源利用形式，其在節能降碳領域的應用與創新具有重要意義[1]，因此本文旨在分析“雙碳”背景下核技術利用的潛在優勢、實際應用與創新實踐，以期為相關領域的研究與實踐提供參考。

1核技術原理與潛在優勢

1.1 基本原理

核技術利用是指利用放射性同位素和射線裝置在諸多領域，如醫療、工業、農業、地質調查、科學研究和教學中的使用。這些應用主要是基于放射性同位素的衰變和射線與物質的相互作用，利用了X、γ射線等的貫穿能力和對物質原子的電離能力[2]。

1.2 潛在優勢

1.2.1高能量密度

核能具有極高的能量密度，相比于化石燃料和可再生能源，核燃料（如鈾）在相同重量下可以產生更多的能量。這意味著，核能發電在生產相同電量時需要的燃料量遠少于煤炭或天然氣，從而大幅減少了碳排放。

1.2.2低碳排放

核能發電過程中不產生溫室氣體排放，有助于減少碳排放，緩解全球氣候變化壓力。雖然核燃料的采礦、加工、運輸和廢料處理過程會產生一定的碳排放，但整個生命周期的碳排放強度與風能和太陽能相當，遠低于化石燃料電站。

1.2.3可持續性

核原料資源豐富，可供長期使用，具有較好的可持續性。與風能和太陽能等可再生能源相比，核能可以提供穩定、連續的電力供應，不受天氣和季節的影響。

1.2.4促進技術創新

核技術的發展和應用推動了一系列相關技術的創新，包括核融合能研究、輻射技術在材料科學中的應用，以及高溫核反應堆在氫能生產中的潛在應用。這些技術創新，不僅有助于減少碳排放，也為能源領域帶來新的發展機遇。

2核技術的應用

2.1 核技術在能源領域的應用

2.1.1核能發電

核能發電是利用核裂變或核聚變反應所釋放的能量發電的技術。與傳統的化石燃料發電相比，核能發電具有零排放、高效率、可持續等優點。通過大力發展核能發電，可以顯著減少化石燃料的使用量，從而降低碳排放[3]。如，法國是全球核能發電比例最高的國家之一，其核能發電量占全國總發電量的約75%，有效地降低了碳排放量。

2.1.2核融合能

核融合能被視為幾乎無限的能源，其理論上的安全性和環境友好性非常高，幾乎不產生長壽命放射性廢物，且原料豐富（如氘和氚），理論上可以提供幾乎無限的能量。盡管目前核融合能技術尚未實現商業化，但其在實現全球長期、大規模降低碳排放方面的潛力巨大。

2.1.3核能供熱

除了發電之外，核技術還可以用于供熱領域。核能供熱是利用核反應堆產生的熱量為城市或工業區域提供熱水和蒸汽。與傳統的燃煤鍋爐相比，核能供熱具有無污染、高效率等優點。通過推廣核能供熱技術，可以替代傳統的化石燃料供熱方式，進一步降低碳排放。

2.1.4核能制氫

氫能作為一種清潔能源載體，具有廣泛的應用前景，包括在交通、工業和電力領域作為能源或儲能介質。核能可以通過高溫電解水或高溫熱化學循環過程高效生產氫氣，與傳統的基于化石燃料的氫氣生產相比，可以顯著減少碳排放。

2.2 核技術在工業領域的應用

2.2.1工業輻照技術

工業輻照技術是利用射線對物質進行輻照處理的技術。通過輻照可以改變材料的性能、提高產品的質量和延長使用壽命。與傳統的熱處理、化學處理等方法相比，工業輻照技術具有無污染、高效等優點。在工業領域廣泛應用工業輻照技術可以顯著降低能源消耗和碳排放，如利用電子束輻照技術對聚合物材料進行改性處理，可以提高其機械性能和耐候性能，從而延長產品的使用壽命，減少因產品更換而產生的碳排放。

2.2.2核測量技術

核測量技術是利用放射性同位素或射線進行測量和檢測的技術。在工業領域中核測量技術廣泛應用于厚度測量、密度測量、物位測量等方面。通過利用核測量技術可以實現非接觸式、高精度的測量方式提高生產效率和產品質量同時降低能源消耗和碳排放。如，利用放射性同位素進行厚度測量，可以避免傳統機械測量方法中的接觸磨損和誤差，提高測量精度和效率。

2.2.3海水淡化

雖然海水淡化本身不能直接降低工業碳排放，但是通過使用核能來驅動海水淡化的過程，可以為那些缺水且需要大量水資源的工業區域提供可持續的淡水供應，如石化工業、食品加工等。這種應用減少了化石燃料消耗和相應的碳排放。

2.3 核技術在農業領域的應用

2.3.1輻照育種技術

輻照育種技術是利用射線誘發植物基因突變進而選育出優良品種的技術。通過輻照育種可以培育出抗病、抗蟲、高產的優質作物品種，可減少化肥和農藥的使用量，從而降低農業生產過程中的碳排放。同時，優良品種的推廣，還可以提高農作物的產量和質量滿足人們對食品多樣化的需求，減少因食品短缺而產生的碳排放[4]。

2.3.2核素示蹤技術

核素示蹤技術是利用放射性同位素作為示蹤劑研究物質運動規律和生物代謝過程的技術。在農業領域中，核素示蹤技術廣泛應用于土壤養分吸收利用、植物生理代謝等方面的研究。通過利用核素示蹤技術可以深入了解植物對養分的吸收和利用過程，為合理施肥提供科學依據，可減少因過量施肥而產生的碳排放。同時，該技術還可用于研究植物對水分的吸收和蒸騰作用，為節水灌溉提供技術支持，降低因灌溉而產生的碳排放。

2.3.3輻射滅螟技術

輻射滅螟技術是一種通過放射性同位素標記和控制害蟲種群的方法，特別是對于那些對作物造成嚴重損害的害蟲。通過釋放經過輻射處理的不育昆蟲，來減少害蟲的生育能力，從而控制其種群數量。這種方法減少了對化學農藥的依賴，有助于降低農業生產中的碳足跡。

3核技術的降碳案例分析

3.1能源領域降碳案例及分析

3.1.1中廣核清潔能源項目

中廣核在全國范圍內運營著多個核電機組和新能源場站。自1994年以來，中廣核的清潔能源項目已累計上網電量超過24057.28億kWh。這些清潔電力的生產，等效減少了標準煤消耗72478.22萬t，減排二氧化碳201422.68萬t。這一成績，相當于種植了540.44萬hm2的森林，為節能降碳做出了顯著貢獻。

3.1.2中核集團田灣核電站蒸汽供能項目

該項目是我國首個工業用途的核能供汽工程，正在為連云港徐圩新區石化基地提供清潔能源。核能供汽利用核電站的熱量供應工業蒸汽，不僅滿足了石化產業的用汽需求，還有效降低了綜合能耗和環境污染。這種新途徑的應用，進一步推動了核能從單一發電向綜合利用的轉變，為工業領域的節能降碳提供了新的解決方案。

3.1.3山東海陽核電廠核能供暖工程

該工程利用核電廠產生的熱量為城市居民提供供暖服務。與傳統的燃煤供暖相比，核能供暖不僅減少了大量的二氧化碳排放，還提高了供暖效率。據統計，“暖核一號”項目在5個供暖季中累計對外提供清潔熱量820萬GJ，減少原煤消耗73萬t，減排二氧化碳134萬t，顯著降低了碳排放強度，為海陽市、乳山市的40萬居民提供了清潔、高效的供暖服務。

3.2工業領域降碳案例及分析

3.2.1中金公司輻照滅菌項目

中金公司利用鈷-60輻照技術進行滅菌，是國內較早從事輻照技術應用的企業，其服務包括為醫療器械、藥品、食品等生產提供輻照滅菌服務。與傳統的熱力滅菌方法相比，鈷-60輻照技術無需加熱，因此節省了大量的能源消耗。此外，由于輻照過程無需添加任何化學物質，也可減少廢棄物和有害物質的產生，從而降低了對環境的污染。這種高效、環保的滅菌方法不僅提高了產品質量，還有助于企業實現節能降碳的目標。

3.2.2大港油田放射測井技術

大港油田在勘探和開發過程中，廣泛采用了放射性測井和中子測井等核測量技術，來確定地層的物性參數和含油性。核測量技術具有高精度和高效率的特點，能夠快速準確地獲取地層信息，指導油田的開發和生產。與傳統的勘探方法相比，核測量技術不僅提高了勘探效率，還降低了勘探過程中的能源消耗和碳排放。通過優化油田開發方案，不僅能減少不必要的鉆探和開采活動，還能降低能源消耗和碳排放。

3.2.3浙江三門核電站海水淡化工程

浙江三門核電站海水淡化工程是利用核電站產生的低品位熱量進行海水淡化的典型案例。該工程結合了核電與海水淡化技術，為沿海地區提供了穩定的淡水供應。利用核電站產生的低品位熱量進行海水淡化，無需額外的化石燃料消耗，從而顯著降低了碳排放。與傳統的海水淡化方法相比，這種方法不僅節能而且環保。同時，海水淡化是解決沿海地區水資源短缺的重要途徑，核能海水淡化技術為沿海地區提供了可持續的淡水供應方案，降低了因遠距離調水而產生的能源消耗和碳排放。

3.3農業領域降碳案例及分析

傳統的害蟲防治方法主要依賴化學農藥。然而，長期使用農藥不僅會對環境造成污染，還會增加害蟲的抗藥性。通過核輻射技術防治害蟲，可以顯著減少化學農藥的使用量，從而降低農藥生產和使用過程中的能源消耗和碳排放。在新疆地區，棉花是重要的經濟作物，生長過程中常受到各種害蟲的侵擾，嚴重影響棉花的產量和質量。為了有效防治害蟲，提高棉花產量，新疆農業部門引入了核輻射技術。農業專家先對當地棉花害蟲進行了詳細的鑒定，確定了主要害蟲種類，然后利用鈷-60放射源產生的γ射線對害蟲進行輻射處理。輻射劑量經過精確計算，不僅可確保有效殺滅害蟲，也不會對環境和棉花造成負面影響。經過輻射處理的害蟲被大量釋放到棉田中，已經失去了繁殖能力。當它們與野生害蟲交配后，無法產生可育的后代，從而有效控制了害蟲的數量。

4核技術的安全保障措施

核技術利用過程中，特別是在節能降碳領域的應用時，安全始終是首要考慮的問題。由于核技術本身的特殊性和潛在的風險，因此要求必須嚴格落實安全保障措施，以確保人員安全和環境安全。一是，對于核技術設備的操作必須嚴格遵守操作規程，所有操作人員都應接受專業的核技術與安全培訓，并在取得相應的操作資質后方可上崗。二是，核技術設施的防護措施必須完善，這包括但不限于輻射防護、設備安全防護及應急處理系統的建設，特別是在輻射防護方面，一定要確保工作人員和公眾受到的輻射劑量低于安全限值。三是，建立完善的核事故應急響應機制，一旦發生事故，能夠迅速啟動應急預案，有效地控制事態，減輕事故后果，同時定期開展應急演練，提高人員的應急反應能力和協同作戰能力。四是，重視核技術設施的維護和檢修，定期的設備檢查、維修和更新是確保設施安全運行的關鍵，由于任何設備的老化或損壞都可能成為安全隱患，因此必須予以高度重視。五是，信息記錄和檔案管理也是保障核技術安全利用的重要環節。通過詳細記錄設施運行數據、事故處理記錄等信息，可以為后續的安全管理和事故分析提供寶貴的數據支持。

5核技術的創新方向

核技術應用產業在其整個生命周期中排放總量較小，但是其產值相對較大，屬于環境友好型產業，順應了低碳發展、清潔生產、綠色發展的趨勢，符合經濟發展要求，有利于促進“雙碳”目標的實現。鑒于此，應進一步加強核技術在“雙碳”領域中的應用與創新，促進核技術應用及產業發展[5]。

5.1持續研發與創新

隨著科技的進步，核能技術的研發與創新將成為未來發展的重要方向。如，開發更高效的核反應堆技術、提高核燃料的利用率、研究核廢料的處理方法等，可進一步提高核能在節能降碳領域的貢獻。

5.2與其他可再生能源融合發展

核技術可以與其他可再生能源技術相結合，形成互補優勢。如，核能與風能、太陽能等可再生能源的融合發展，可提高能源供應的穩定性和可持續性，進一步降低碳排放。

5.3創新應用和碳捕獲與封存領域

核技術還可以應用于碳捕集與封存技術（CCS）領域。通過利用核技術提供的能量來驅動CCS過程，可更高效地捕獲和封存大氣中的二氧化碳，從而降低碳排放。

結語

在早日實現“雙碳”目標的背景之下，核技術具有廣泛的應用前景和創新空間。目前，核技術可應用于核能發電、核能供熱，以及應用在工業和農業領域。未來，隨著核技術的不斷研發與創新，可進一步挖掘和發揮核技術在節能降碳方面的潛力，為全球節能降碳事業做出更大貢獻。

參考文獻

[1]潘俊帆，段鶴陽.核技術在環境保護中的應用[J].化工管理，2021（14）：34-35.

[2]劉蘊韜，安世忠，梁積新.核技術應用現狀及發展趨勢[J].科技導報，2022，40（11）：88-97.

[3]薛岳，徐廣鐸.中國核技術應用產業發展現狀[J].同位素，2021，34（02）：97-103.

[4]梁劬，高美須.核技術在農業上應用現狀和展望[J].核農學報，2024，38（01）：1-10，229.

[5]杜玉英，胡世偉.基于碳足跡的民用核技術應用產業環境承載力測算（英文）[J].Journal of Resources and Ecology，2023，14（05）：965-973.

作者簡介

高文翰（1986—），男，漢族，天津人，高級工程師，碩士，研究方向為環境影響評價、核與輻射環境保護咨詢。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-04-12