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联合国欧洲经济委员会发布新版《核技术简报》
发布时间: 2021-09-06

来源:中核智库

联合国欧洲经济委员会(UNECE)20218月发布新版《核技术简报》,强调作为低碳电力和热力的重要来源,核电在避免二氧化碳排放、实现碳中和方面能够发挥重要作用。如果将核能排除在外,2015年《巴黎协定》中设定的气候目标将无法实现。

简报首先明确了气候治理问题的紧迫性以及作为关键性解决措施的核能的发展情况。同时,简报还介绍了目前可用的、正在开发的、和在不久的将来可投入商运的核技术,以及这些技术在不同领域的应用。此外,通过将核能与其他能源进行对比,简报还强调了核能在经济性、能源供应以及环境和健康等领域的优势。

1. 核能是气候问题的一项关键性解决措施

2015年联合国峰会通过的《2030年可持续发展议程》提出了17项可持续发展目标,强调应在提升人民的生活质量同时保护自然环境,其中采取紧急行动以应对气候变化及其影响的目标日益成为国际社会关注的焦点。在202012月的气候峰会上,联合国宣布全球已进入气候紧急状态。鉴于全球近75%人造二氧化碳和其他温室气体源自能源的生产和使用,因此能源转型是应对气候问题、落实可持续发展目标的关键性因素。在未来数十年内,各国需要在提高能源普及性的同时,利用清洁能源完全取代化石燃料发电。

联合国欧洲经委会先前曾开展通往可持续能源的途径:提升经委会成员国实现与能源相关的可持续发展目标的能力项目。这一项目取得的成果表明,为实现将温度上升限制在2?C的目标,经委会成员国到2050年需要减少或捕获至少90吉吨二氧化碳排放量同时,各国需部署所有可行的低碳技术以弥补能源供需缺口。

作为一种低碳能源,核能将在减少二氧化碳排放方面发挥关键性作用。在过去的50年间,核能的使用使全球碳排放量减少了74吉吨,相当于减少了近两年的全球与能源相关的碳排放量。核能在减少碳排放量方面的作用仅次于水电。

目前,核电占欧洲经委会成员国总发电量的20%,占低碳发电量的43%。然而,化石燃料仍主导着这些国家的电力供应,占有超过50%的份额。核能为经委会许多成员国提供低碳电力,包括比利时、保加利亚、克罗地亚、捷克、芬兰、法国、匈牙利、斯洛伐克、斯洛文尼亚、西班牙、瑞典、乌克兰和美国。同时,20个经委会成员国拥有在运核电机组,15个成员国正在建设或计划建设新的核电机组。此外,7个成员国正在制定首个核电建设项目计划。许多成员国——比如加拿大、捷克、芬兰、法国、匈牙利、波兰、罗马尼亚、斯洛伐克、斯洛文尼亚、俄罗斯、乌克兰、英国和美国——已明确表示,核能将在其未来的碳减排行动中发挥关键性作用。

除经委会成员国外,亚洲、中东、南美洲和非洲一些国家的核发电量也在不断增长。此外,许多尚未使用核电的发展中国家正在寻求有效方法以兑现其作出的有关可持续发展的承诺,这些国家对核能的兴趣日益浓厚。

联合国政府间气候变化专门委员会2018年底发布的《全球升温1.5℃特别报告》中提出了89个碳减排情景,按这些情景的平均值计算,2050年核发电量将是现在的3.5倍。此外,中间情景(假设社会经济和技术将会保持现有发展趋势,且人们的饮食和旅行习惯不会发生重大改变)估计,2050年核发电量将是现在的6倍,为全球提供25%的电力。鉴于核能在缓解气候问题的影响方面的关键性作用,各国需利用这一能源以防止温升超过2℃。为提升核发电量,各国应在未来几年内大力推进反应堆的部署工作。

 

2. 核技术的创新与发展

新技术的发展使核能应用范围不断扩大,同时也使核能可以与其他的低碳能源进行整合,如间歇性可再生能源和采用碳捕集体和封存(CCS)技术的化石燃料。

技术创新主要体现在三个方面,即反应堆装机容量、冷却剂材料和核燃料循环系统。

2.1 设计装机容量

按装机容量划分,核反应堆技术目前主要分为三类:大型反应堆(1000兆瓦级)、小型模块堆(SMR)和微堆(MMR)。大型反应堆目前已实现商运,而小型模块堆和微堆正在开发当中(其中一些反应堆的商业化进程不断加快)。不同反应堆的技术成熟度见附录2

2.1.1大型反应堆

在核技术发展的过程中,绝大多数时候都在为实现规模经济不断提升反应堆装机容量。目前已实现商用的标准化反应堆/核电厂的设计装机容量介于750兆瓦至1800兆瓦之间,负荷因子已超过90%,且设计运行寿期至少为60年。为利用其燃料成本和运营成本低的优势,大多数核电厂以基荷模式运行。但如有需要,它们也能够以负荷跟踪方式运行,并且可以进行区域供暖和电解制氢。

2.2.2小型模块堆

现代小型模块堆的设计装机容量介于10300兆瓦之间。需指出的是,第一代核反应堆基本属于小堆,且已被广泛应用于潜艇和海军军舰。而现代小型模块堆与第一代反应堆的不同之处在于设计和建造方法方面的创新。现代小型模块堆利用体积小这一优势,开辟新的商业模式。目前的设想是,将小堆用于为不能容纳大堆的偏远或离网地区供电。

目前,70多种小堆设计正在开发当中,它们的技术成熟度也各不相同。水冷堆是一项高度成熟的技术。俄罗斯已在其北部海岸建成并运营着一座浮动式小型水冷堆核电厂;同时美国的监管机构也为一种小型水冷堆颁发了设计合格证。此外,中国目前正在推进高温气冷堆(HTR-PM)示范厂建设,预计该示范厂将于2021年底投入运行。许多基于成熟技术的小堆开发商希望他们的首座小堆能够在本世纪20年代投运,并在30年代更广泛的部署这些小堆,而那些基于新技术的小堆设计则通常需要更长的时间才能实现商业化。

2.2.3微堆

微堆实际上是一种热功率低于20兆瓦或电功率低于10兆瓦的反应堆。由于微堆的规模小、运输灵活性高、以及能够在更大范围内满足各种能源需求,能够在利基市场上与与柴油发电厂竞争。如果设计者和监管机构使用更为简化的许可申请程序,那么微堆的商业可行性将更容易实现。

2.2 冷却剂材料

以水为冷却剂的反应堆技术已非常成熟,目前在全球市场上占据主导地位。水冷堆主要分为压水堆、沸水堆和重水堆三种类型,其中压水堆是当前全球最为常见的核动力反应堆。

目前,许多国家正在积极开展使用液体金属、气体等其他冷却剂的先进反应堆。第四代核能系统国际论坛(GIF)2002年提出将6种第四代堆型的研发列为优先事项,包括气冷快堆 (GFR)、铅冷快堆 (LFR)、熔盐堆 (MSR)、超临界水冷堆 (SCWR) 、钠冷快堆 (SFR) 和超高温气冷堆 (VHTR)

2.3 核燃料循环系统

在欧洲经委会成员国中,法国和俄罗斯都拥有工业级的后处理设施,且向其他国家提供乏燃料后处理服务。英国也拥有几十年的后处理设施运行经验。下文介绍了核燃料循环系统在下述方面的创新。

一是推进快堆研发,建设闭式燃料循环设施。快堆最高可将天然铀的利用率提升近60倍,从而使现已探明的铀资源可持续利用4000余年。快堆的商业化和广泛的应用将会对铀开采需求和放射性废物管理产生深远的影响。目前,一些欧洲经委会成员国正在开发快堆技术。俄罗斯有两座在运的钠冷快堆,正在建设一座300兆瓦的BREST-300铅冷快堆,并计划再建设一座装机容量为1200兆瓦的BN-1200钠冷快堆座。美国也重新开始推进快堆研发项目,并于近日宣布向泰拉能源公司和通用日立核能公司合作开展的钠冷快堆开发项目提供资金支持。

二是开发先进核燃料。创新发生在核燃料循环的各个环节,其中先进燃料方面的创新值得关注,因为新的核燃料技术能够比先进反应堆设计更快地实现商业化应用。核燃料技术方面的最新进展提高了现有反应堆的安全性和经济性。此外,先进反应堆设计同样需要新的燃料技术,例如,与使用丰度为3%5%的低浓铀燃料的传统反应堆相比,一些先进反应堆需要使用铀-235丰度更高的燃料,例如5%20%的高丰度低浓铀燃料。

三是从乏燃料中提取有价值的放射性同位素。通过乏燃料后处理技术,提取有价值的同位素,比如提取可作为放射性同位素电源用于太空任务的镅-241

3. 核技术应用

核电厂可以实现低碳供电和供热,这有助于推进电力以外难以减排行业的脱碳。除供电外,核能还可用于制氢、工业供热、区域供暖、海水淡化、合成燃料和化工产品生产、冷却和制冷以及热电联产。预计未来的小型模块堆和先进反应堆设计将提供上述行业所需的性能(例如高温)和灵活性(例如与工业设施共址),以真正打开这些市场。

3.1 制氢

氢能可以帮助工业和运输业等难以减排的行业实现脱碳。可以利用多种低碳技术实现核能制氢,如低温电解水制氢、高温电解水蒸汽制氢(使用反应堆提供的热能和电力,在600°C的高温下制氢)以及高温热化学制氢(使用反应堆提供的热能,在8001000°C的高温下制氢)

现有的反应堆技术能够实现低温电解制氢,这一技术在制氢方面有着许多潜在优势,包括较高的电解槽利用率、较低的运营成本、以及能够将所制的氢用于核电厂运行过程中。此外,日本高温实验反应堆(HTTR)的出口冷却剂温度达950°C,可用于开展核能制氢研究。2019年,该反应堆利用碘硫热化学循环法连续运行超过150小时以制氢。目前,美国、英国和法国都在计划建设核电制氢示范设施。

3.2 核能高温工业热利用

核反应堆能够帮助如化工生产业、纸浆与造纸工业和钢铁工业等能源密集型行业脱碳。将反应堆产生的高温热直接作为工业生产过程的热源,能够在降低能源消耗总量的同时,提高核能的经济性。如以熔盐堆为代表的第四代核反应堆,其出口温度可以达到?700℃以上。

3.3 区域供暖

核反应堆产生的废热也是一种宝贵的资源。俄罗斯、瑞士等国在利用核能进行区域供暖。此外,还有一些国家正在计划将小堆技术应用于区域供暖领域,比如芬兰。

4. 核能的经济性与脱碳成本

有多种方法可以用于计算和比较能源项目的成本,其中最广泛使用的是平准化能源成本 (LCOE)。对核能的平准化发电成本影响最大的因素是有关核电厂建设成本和融资成本。核电厂的燃料成本和运维护成本通常低于化石燃料发电厂,这也是核电厂一个重要的经济优势。核电厂造价很高,但它能够在未来几十年内提供稳定的、低成本的电力。

核电厂造价可以进一步细分为建设成本和融资成本。建设成本会受到诸如资源可用性和劳动力成本等当地因素的影响,而融资成本则会受到利率(通常以贴现率表示)、建设过程中的风险分配、是否有担保、经济增长率、基础市场结构、是否存在任何购电协议以及其他因素的影响。当融资成本很高时,核电厂平准化发电成本将会显著增加。因此能否获得低成本融资是影响项目可行性的关键因素。

4.1 核电总成本较低

平准化发电成本将工厂层面的所有成本纳入考虑范畴,但忽视了电厂对整个电力系统的价值或者间接成本,因而很难将核能与其他能源——如可再生能源——进行比较。虽然间歇性可再生能源的成本正在迅速下降,但是这种能源的间歇性导致电力系统成本的增加。随着风能和太阳能等间歇性能源使用量的增加,电力系统的成本也不断上升,进而使电力总成本增加。与之相对的是,将能够提供可靠的、可调度的低碳电力的能源——如核电厂,水力发电厂、以及具备碳捕集和封存设施的化石燃料发电厂——纳入到电力系统中不仅能够降低脱碳成本,还能够最大限度的提升能源成功转型的概率。对于许多国家来说,利用核能发电将成为优化速度最快、成本最低且风险也最低的脱碳路径。

此外,核电厂还能够产生显著的其他正面效应,比如核电厂可增强电力系统应对严重外部冲击的能力,如极端天气事件。例如,20212月美国得克萨斯州的冬季风暴造成大面积停电,而核电厂是所有电厂中受影响最小的。

4.2 进一步降低核电成本的措施

某一类型首座电厂的建设成本是最高的,而之后批量建设同类型核电厂(NOAK)的造价将显著下降。例如,中国、日本、韩国和俄罗斯等批量建设核电厂的国家已成功降低核电厂的建设成本。因此,通过利用近期反应堆建设经验,优先提升技术的成熟度和监管的稳定性,寻求最佳实践建议,并按照反应堆建设标准施工,各国有望在未来十年内降低核电厂建设成本。此外,各国政府如果采取相应措施以降低融资成本,则核电厂的平准化发电成本将显著降低,这将有助于降低脱碳和能源低碳转型的总成本。

除了降低建设成本和融资成本外,小堆的研发也有助于降低核电的成本。小堆的经济优势源于其规模化应用和商业部署标准的制订。相比于大堆,小堆所提供的能源服务的种类更为丰富,既能够为用户提供并网发电系统,又能够建立离网系统以满足偏远地区和工业用户的电力需求,因而小堆更容易实现规模经济。同时,更低的建设成本、更短的建设周期以及模块化建设方式使得小堆的投资风险性较低,因而小堆更容易获得投资,即其融资成本更低。此外,大规模的部署还将提升小堆的学习效应,这可能将会进一步降低小堆的成本。

5. 核电厂延寿以应对气候变化

大多数在运核电机组的初始运行许可证有效期限为3040年,但这并非由于技术限制。如今,在满足法规、安全性和经济性的要求后,核电厂延寿已成为一种常见做法。美国大多数核电厂(压水堆和沸水堆核电厂)的运行许可证有效期限均已获准延长至60年,一些已获准延长至80年。国际能源署表示,对许多经委会成员国而言,核电厂延寿是成本最低的发电方式之一。

尽管如此,在过去20年里,经委会成员国关闭了一部分核电厂。这些核电厂的停运主要受政策和市场两方面因素的影响。一方面,受2011年福岛核事故影响,德国、比利时和瑞士等国政府发布了弃核政策,使得运营商不得不提前关闭核电机组。此外,一些东欧国家为加入欧盟,被迫按照欧盟要求关闭部分核电厂。另一方面,受经济因素影响,部分反应堆被迫关停。例如,美国的页岩气革命导致天然气价格下降了53%,使核电面临激烈的市场竞争。在欧洲,近期一些核电厂的停运是受到政府向核能征收特定税款的影响。在大多数情况下,这些核电厂停运带来的电力供需缺口已由化石燃料发电厂填补,这阻碍了各国气候目标的实现。因此,国际原子能机构和国际能源署现已认识到,为应对气候变化,当务之急是防止更多的核电厂提前关闭。

要实现减排目标,未来必然会关闭一些使用化石燃料的基荷电厂,如煤和天然气电厂。这必然会降低电网运行灵活性,而其他有助于提升电网运行灵活性的技术(如储能技术、需求侧响应和行业耦合)尚未实现商业化部署。由于其间歇性特性,风能和太阳能等可再生能源在弥补电力供需缺口方面的能力有限。相比之下,核电厂能够持续供电,可根据用电需求调峰运行,同时还能够提高电网运行的稳定性。因此,政府需出台有助于提升核能经济性的政策,推进现有核电厂延寿运行,进而实现能源低碳转型。

6. 人类健康和自然环境影响

任何发电技术都存在着一定的风险,并且会对自然环境和人类健康产生影响,因此电力生产必须受到监控和监管,以确保将这些影响控制在可接受的水平。核电面临着放射性事故和放射性废物管理等特定风险,但综合性的全寿期评估表明,核电是所有发电技术中对环境影响最小的一种,其对环境的影响远低于化石燃料。此前欧盟联合研究中心在研究是否应将核能纳入欧盟绿色金融分类法时指出:没有任何科学证据表明相比于其他发电技术核电对环境和人类健康造成的危害更大。为验证这一结论,下文将分析核能在下述三个方面的影响:空气质量,生态系统,以及人为辐射。

6.1 空气质量

目前,全球面临的最重要健康和环境挑战之一是空气质量问题。世界卫生组织的报告显示,全球每年有420万人死于环境空气污染,而这些污染多与能源的生产和使用有关,其中以油烟为主要形式的室内空气污染每年导致近380万人死亡。核电厂不仅不会造成空气污染,反而已挽救超过一百万人的生命,因为其有助于减少二氧化碳及其他温室气体的排放量。此外,政府间气候变化问题专门委员会指出,核电厂全寿期的温室气体排放量与可再生能源相当。

6.2 生态系统

能源的生产对健康与环境的影响还在于地质和水生生态系统。一方面,电厂建设过程中的矿物需求会对地质生态系统产生影响。美国能源部的数据显示,核电厂的建筑材料主要是钢筋和混凝土,然而在建设过程中,核电厂对这些材料的需求尚不足风力和水力发电厂的十分之一。同时,世界银行在2020年的一份报告中指出:在可预见的将来,太阳能电池板、风力涡轮机和电池的制造会影响关键矿物的供需。因此,对矿物开采需求量小的核电厂对地质生态系统造成的影响也较小。

另一方面,许多核电厂将水作为冷却剂使用,因而应当对核电厂的用水需求进行管理以防止其影响当地的水生生态系统。这需要开展仔细的选址和环境影响评估工作。此外,核电厂的占地面积与化石燃料电厂基本持平,且远低于可再生能源,因此其对周边生态环境影响也相对较小。

6.3 “人为辐射

对公众和相关从业人员而言,核技术的应用会产生一定的辐射。但是,在对人类健康造成的影响方面,这种人为辐射与天然辐射并无区别。核电厂设有多重防护屏障,以保护人员和环境免受放射性物质的影响。英国监管机构在对一份新建核电厂的申请进行评估时表示,英国公众每年受到的辐射剂量与其在从英国飞往纽约的往返航班上受到的辐射剂量大致相同。在大多数人日常生活中接触到的辐射剂量中,核辐射的比重不足0.1%

公众对于核辐射的担忧主要在于核事故以及放射性废物的处置问题。历史上最为严重的两起核事故即1986年切尔诺贝利和2011年福岛核事故,引发了公众的焦虑,也使政府必须开展长时间的民众疏散工作。此外,这些事故也导致了一些政府作出关闭核电厂的决策。但是,各国已从先前反应堆运行期间发生的事故中吸取经验教训,并在全球范围内共享这些经验,同时还将这些经验应用至新的反应堆设计和运行实践中。

放射性废物的处置是降低核辐射负面影响的关键性因素。放射性废物是在核电生产过程中产生的、且无法再利用或回收的放射性材料。各国需实施可持续的废物管理措施,并建造放射性废物最终处置库,从而为电厂员工和环境提供保护。各国会按照放射强度和放射性持续时间对放射性废物进行分类处置,其中放射性持续时间是由废物中同位素的半衰期决定的。极低放废物和低放废物适宜在近地表填埋处置,而中放废物和高放废物则需要在深层地质处置库中进行处置。这是因为中放废物和高放废物含有半衰期长的放射性同位素,因此需置于10100米深的地下。在对核工业产生的放射性废物按照放射性表征进行分类后,约有97%的废物将会被归入极低放废物和低放废物类别。按体积来看,高放废物在放射性废物总体积中的占比不足0.1%,但其放射性却占总放射性的95%。目前世界上尚未建成高放废物最终处置库,但是芬兰正在建设一个高放废物处置库,这个将于2023年投运的处置库预计将成为世界上首个高放废物处置库。

7. 小结

当前,全球已进入气候紧急状态,能够有效减少碳排放的核能是应对气候问题、落实可持续发展目标的关键性因素。为推进反应堆部署,各国不断加大核技术研发力度,装机容量、冷却剂材料和核燃料循环系统三方面的技术创新使核能的应用范围不断扩大。目前,除供电外,核能还可用于制氢、工业供热和区域供暖等领域。

核能之所以可作为应对气候问题的关键性措施,不仅是因为核能能够有效减少碳排放,还因为核能与其他能源相比,在经济、能源供应以及环境和健康等领域具有一定的优势。首先,核电的总成本较低,并且批量建造和小堆研发等措施能够进一步降低核电成本。其次,核电厂延寿的实施能够保障能源供应的安全性和灵活性,避免因核电厂提前关停而导致化石燃料发电量的增加。最后,核能对人类健康和自然环境的危害并不比其他能源更大。相反,核能可有效提升空气质量,且其对地质和水生生态系统的影响低于可再生能源。此外,通过核电厂运行安全管理和放射性废物的处置,核技术的应用不会对人类健康和环境产生影响。

 

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