我国核电发展现状及环境效益研究

我国核电发展现状及环境效益研究 绿色债券认证部蒋仲妮 摘要：在安全运行的前提下，核电属于优质的清洁能源发电，通过与风光水 等清洁能源协同发展，对优化我国能源整体布局、保障能源供应安全具有重要意义，被纳入我国绿色债券支持范围之内。本文介绍了核电技术的定义、发展阶段、我国核电发展现状和前景，简述了核电类绿色债券的界定标准以及在我国的发展情况，最后从环境影响、生态影响、社会影响三方面建立了核电类绿色债券环境效益评估方法。 在全球能源危机不断加剧及环保要求日趋严格的背景下，各地区能源转型之路不断加速。为实现“碳达峰碳中和”重要使命，我国设立了到2060年“非化石能源消费比重达到80%以上”的能源转型目标。2022年夏季，部分地区出现的高温限电状况，暴露出我国基荷电源1缺失、备用不足的问题。在“电量电力双缺”的背景下，以核电、火电为代表的可靠电源的需求凸显，而核电全生命周期的总碳排放量仅为煤电度电碳排放的2.8%，是更优的基荷电源。在既保障用电稳定性，又促进清洁能源转型的双重需求下，核电作为清洁的基荷电源，通过与风光水等清洁能源协同发展，对优化能源整体布局、保障能源供应安全具有重要意义。 一、核电的定义与发展简史 （一）核能与核电的定义 核能，或称原子能，是通过核反应从原子核释放的能量。核反应包括核聚变与核裂变，核聚变是两个小质量的原子核合成一个更大的原子核，核裂变是一个大质量的原子核分裂成两个更小的原子核。 在核聚变或核裂变的过程中，会有中子摆脱原子核的束缚逃逸出来，产生质量亏损。质量亏损释放的能量符合爱因斯坦质能方程E=mC2，式中E是能量，m是质量亏损，C是真空中的光速，即使质量亏损很小，释放的能量也是巨大的。 核聚变的原料储量丰富容易获得，且释放的能量更为巨大，但反应需要极高的温度，受控的热核聚变在技术上尚未实现。 1基荷电源：是指能够提供连续、可靠电力供应的主力电源，如煤电、核电等都适合作为基荷电源。 核能发电是将受控的核裂变产生的巨大能量转化成可以利用的电能的过程。铀是目前最重要的核原料，1千克铀可供利用的能量相当于燃烧2500吨优质煤。核反应堆是产生可控核裂变的装置，是核电厂的“锅炉”。在核电厂中，核反应堆产生的热量经过热交换、驱动汽轮机和发电机运动转化为电力。 （二）核反应堆的类型 核电的核心技术在于核反应堆的不同，核反应堆分为多种类型，按燃料的不同分为铀-钚循环和钍-铀循环反应堆；按发生反应的中子能量分为热中子反应堆和快中子反应堆；按照冷却剂分为轻水堆和重水堆等。现在比较主流的反应堆技术是热中子轻水堆，轻水做慢化剂和冷却剂；其中又分为压水堆和沸水堆。 （三）核电技术发展简史 核电技术能量密度高、稳定性好、清洁环保的特点，被称为最有希望的未来能源之一，在过去的几十年里发展迅速。 自1942年美国芝加哥大学验证了可控的核裂变链式反应的可行性之后，核电技术的发展分为以下四代： 第一代核电技术。20世纪50~60年代的核电技术是基于军事用途的核反应堆技术，由美国、苏联、加拿大、英国等国家设计、开发、建造的首批原型堆、 示范发电站，验证了核能发电的技术可行性。1954年，前苏联建成5,000千瓦的实验性核电站，这是世界上建设成功的第一个核电站。在3年之后，美国建成功 率9万千瓦的希平港原型核电站。国际社会将20世纪中期建成的这一批核电站，统称为第一代核电机组[1]。 第二代核电技术。20世纪70~90年代，不断的技术升级开发出30万千瓦以上的第二代核电机组，该阶段运用压水堆、沸水堆、中水堆等较为先进的技术， 大大提高了核电机组的发电效率。这一阶段也是商用核电厂大发展的时期，对验证的机型进行了标准化、系列化、批量化的建设。至今仍在运行的核电厂，绝大部分属于第二代或第二代改进型技术。 1986年4月26日，前苏联的切尔诺贝利核电厂4号反应堆机组检修后重新启动过程中，堆芯发生超瞬发临界，堆芯熔化，高温产生大量的氢气和蒸汽发生爆炸，引发大火并散发出大量高能辐射物质至大气层。事故致使31人在数周内 死亡（包括非放射性致死3人），参加事故清理人员20万人，平均辐射量100mSv。 据估计，切尔诺贝利核事故给乌克兰和白俄罗斯造成的直接经济损失在2350亿美元以上。该事故被认为是核电历史上最严重的事故，也是国际核与辐射事件分级表（INES）中首例被评为第7级（最高级）的事故。 事故发生后，苏联政府立即组建了国家事故调查委员会，调查事故产生的原因。事故发生的直接原因是该核电站采用石墨沸水堆，自身设计缺陷多，加之试验操作不当导致反应堆功率急剧上升，产生大量蒸汽，致使反应堆堆芯压力急剧升高，最后发生爆炸事故。根本原因是反应堆堆芯设计和控制保护系统设计存在缺陷（正气泡反应性系数、无安全壳、落棒慢等）以及核安全文化欠缺。切尔诺贝利核事故使人类真正认识到核电厂系统的复杂性和安全的重要性。 第三代核电技术。20世纪90年代，吸取核反应堆几十年运行经验与惨痛教训的基础上，各国都意识到核安全的重要性。为改善放射性污染泄露、建设成本 过高等一系列问题，核电安全技术进一步发展。国际上通常将满足美国URD（美国核电用户要求）和EUR（欧洲核电用户要求）的核电技术称为第三代核电技术。第三代核电机型主要有“AP1000、EPR、ABWR、APR1400、AES2006、ESBWR、CAP1400、华龙一号”，相比于第二代具备明显的特征，首先是安全性能高，其次是使用寿命长，第三是容量进一步扩大，第四是自动化控制，第五是模块化特征[1]。 第四代核电技术。未来新一代的先进核能系统，无论是在反应堆还是在燃料循环方面都有重大的革新和发展，其目标是增强能源的可持续性，核电厂的经济 竞争性、安全和可靠性，以及防扩散和防外部侵犯能力。第四代核能系统国际论坛（GIF）推荐的6种典型四代堆型分别为气冷快堆（GFR）、铅冷快堆（LFR）、钠冷快堆（SFR）、熔盐堆（MSR）、超临界水冷堆（SCWR）和超高温气冷堆 （VHTR）。 （四）第三代核电技术的安全性能 美国三里岛和前苏联切尔诺贝利，都属于第二代核电站，而2011年福岛核电站发生的事故使人们再次对核电的安全性产生疑虑。事故发生后，美国核安全当局出台了《美国用户要求文件（URD）》，将新建核电站的安全标准提高了两个量级。因此，第三代核电站把设置预防和缓解严重事故作为设计上必须要满足的要求，将堆芯熔化和大量放射性物质向环境释放概率降到很低的水平。增强安全性有两种不同的设计思路：“加法”和“减法”。 “加法”是指通过增加防护设施，也能把核电站的安全性提高两个量级。第三代核电技术ERP采取的就是这种“加法”的思路，“这样，安全性是提高了，但系统比第二代更复杂，设备更多，造价更高；为了平抑单位千瓦造价，还要增加容量。 “减法”是指减少安全设施，采用“非能动”技术，靠自然力（如流体的自然对流、扩散、蒸发、冷凝等），在事故状态下启动安全保护。比起能动系统， 采用非能动的AP1000，设施能减少30%~50%，简化了系统，减少了设备和部件，如以6个水箱代替了大量能动安全系统，同时还降低造价，并大大提高了安全性。 核电站如出现安全问题，安全壳温度升高，堆芯有个高位水池，在温度、压力敏感元件的触动下，自动开启阀门，向堆芯注水，使其冷却。AP1000所特有的创新技术之一，是能将堆芯熔融物保持在压力容器内。这使大规模放射性物质释放到环境的可能性进一步降低，其概率比现有的第二代核电大约低100倍。 第三代核电站发生严重事故的概率大大低于第二代，在核电技术安全上具有优越性。世界上核电发达国家已经开工建设和已向核安全当局申请建设许可证的核电机组，几乎都为第三代。 二、核电在我国的发展情况 （一）核电的优势 我国的电力主要通过火力、水力、风力、核能和太阳能发电获得，其中火力发电属于高消耗高污染的发电方式，将逐渐被其它几类清洁能源替代。 1.核电的清洁性能优于火电 核电在发电过程中，不产生烟尘、二氧化硫等大气污染物，属于清洁能源，相比于煤电具有非常显著的环境效益。 2.核电具有一定的经济优势 从2013年开始实施的二代改进型机组的含税电价为0.43元/千瓦时，普遍低于电站所在沿海各省煤电标杆电价，体现了核电的市场竞争优势。 据联合国经合组织（OECD）在2010年的研究报告指出，欧洲的核电发电成本是光伏发电的1/5.3，风电的1/1.8，使用CCS褐煤发电的1/1.2；中国的核电发电成本是光伏发电的1/4.7，风电的1/2.1。由此可见，核电相比于煤电、风电、光伏发电，具有非常显著的成本优势。 3.核电稳定性远优于太阳能和风力发电 与风电、太阳能相比，核电单位投资相当，但核电的运行小时数高，每年可以运行7000小时以上，稳定可靠，是电网的基本负荷。而风电、太阳能每年有效上网小时数为1500~2000小时，且受自然条件影响日间波动大，电网还需要配备煤电、气电、抽蓄等来均衡波动性（调峰、调相、调频），加大了电网运行成本。 综上，核电比煤电更加清洁，比风电和光电更加稳定可靠，同时具备一定经济优势，是保障我国用电安全稳定同时实现能源结构转型必不可少的基荷电源。 （二）我国核电发展简史 截至2022年7月末，全球已建成439座核反应堆，装机容量为394,222MWe，共有56座在建核反应堆，装机容量为61,644MWe。美国、法国目前核电机组数量及装机容量分别位居全球第一、第二。我国自1986年第一座自主设计的核电站开工建设以来，经过快速发展，已成为全球第三大核电国。 起步阶段。我国核电发展开始于1970年春节后的“728工程”，经历缓慢而艰苦的研究工作，“头号工程”正式开工已经是16年以后。我国第一座核电站 秦山一期核电站在1986年正式动工，并于1991年工程并网发电，至此改写了中国大陆没有核电站的历史。秦山核电厂的建成，标志着中国核工业的发展上了一个新台阶，使中国成为继美、英、法、前苏联、加拿大、瑞典之后世界上第7个能够自行设计、建造核电厂的国家。但相比于同期国外的百万千瓦级技术，我国的技术水平还有很长的距离要追赶。 “万国牌”阶段。1990年之后，从广东大亚湾开始，我国走了“引进、消化、吸收再创新”的路径，缩短了探索过程，同时为自主研发蓄力。“九五”期间， 我国相继购买了俄罗斯的压水堆、加拿大的中水堆等。2006年，又引进美国的AP1000核电机组，以及法国EPR机型。有研究者将之称为我国核电发展的“万国牌”阶段[2]。 自主创新阶段。2015年前后，经过十余年的艰苦攻克，我国自主设计了第三 代核电技术“华龙一号”与“国和一号”。“华龙一号”全球首堆福建福清核电站5号机组于2021年1月正式投入商业运行，标志着我国在三代核电技术领域已经打破国外技术垄断，跻身世界前列。第三代核电技术与第二代核电技术最根本的一个差别，就是第三代核电技术把设置预防和缓解严重事故作为了设计核电厂必须要满足的要求，从而大大提高了安全性[3]。我国目前整体的核电站技术水平，处于第二代压水堆技术向第三代迈进的过程当中[1]。 （三）我国核电运行现状 1.装机容量与发电情况 我国核电装机容量与核电机组数量近年来保持稳定增长趋势，截至2022年 10月，运行核电机组共54台（不含台湾地区），装机容量为5,580.58万千瓦。 已核准及在建核电机组共23台，总装机约2539万千瓦，位列世界第一。 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 60 50 40 30 20 10 0 201420152016201720182019202020212022Q1Q2 装机容量（万千瓦）核电机组数量（台） 图表1.2012~2022年上半年中国核电装机容量与机组数量 数据来源：国家能源局，中国核能协会，新世纪评级整理 从发电量来看，核电机组运行稳定，发电量持续上涨。2014年发电量1,305.8亿千瓦时，2021年增长至4,071.4亿千瓦时，年