我国碳达峰、碳中和进程中核能的地位和作用

吴 放

（山东核电有限公司，山东 烟台 265115）

2020 年9 月22 日，国家主席习近平在气候雄心峰会上宣布中国“力争2030 年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。”在“碳达峰、碳中和”目标下，中国能源系统将加速清洁低碳转型发展，促进经济社会发展全面绿色转型。核能发电具有生产过程不排放温室气体、能量密度高、无间歇性等优点，可通过规模替代化石能源助力能源系统转型，同时核能还可在核能综合利用等非电力应用方面助力碳循环经济的可持续发展。

1.1 全球能源消费严重依赖化石能源

一直以来，全球能源消费和全球经济深度依赖化石能源。根据世界能源统计年鉴[1]，2019年全球一次能源消费总计583.90 EJ，其中化石能源占比高达84.32%，其中美国、德国、法国化石能源分别占比为75.29%、77.39 和51.48%。我国化石能源占比为85.14%，略高于世界平均水平，比美国、德国、法国等国家约高出10%～30%。我国的能源结构基本现状是“偏煤偏炭”，在我国消费的化石能源中，碳排放系数较高的煤炭占比是世界平均水平的2 倍。我国核能在一次能源中占比为2.19%，约为世界平均水平的一半、美国的四分之一，是法国的十六分之一。

1.2 化石能源为主体的能源体系难以支撑可持续发展

化石能源储量有限且不可再生，按照全球2019 年的消费速度，预计石油、天然气仅够继续开采50 余年，煤炭也仅够开采100 余年。考虑到全球人口增长和经济增长带来的能源需求增加，化石能源将在更短的时间内耗尽，无法支撑全球可持续发展。目前，全球化石能源探明储量和产量如表1 所示。

表1 世界化石能源探明储量及产量

研究表明，自1850 年以来，燃烧化石燃料持续向大气中排放的以二氧化碳为主的温室气体且长期积累，导致地球表明平均温度升高，目前已经造成全球平均温度升高1.2 ℃左右，如不对碳排放进行强有力干预，则到2100年全球平均气温升高将可能达到4～6 ℃，进而造成灾难性气候变化后果，威胁人类的生存个发展。

1.3 核能是全球能源消费脱碳路径的重要选项

2020 年，核电提供了全球三分之一的低碳电力，核电发电量为2.553 万亿度千瓦时，相当于减少了29 亿吨的碳排放，接近当年全球能源相关碳排放的10%。2020 年中国核电发电量为3 662.5 亿千瓦时，相当于减少燃烧标煤1.05 亿吨，减排二氧化碳2.74 亿吨[2]。

2021 年9 月23 日，经合组织核能机构（OECD/NEA）向G20 提交了题为《碳循环经济中的核能》的报告，提出在1.5 ℃温升目标下，各种碳中和愿景下核电装机的中位数是2050 年需在当前392 GW 的基础上增长115%，也就是说全球需要新增400 台以上百万千瓦的核电机组[3]。如考虑老旧核电机组替代，则需要新建更多机组，要完成从燃料系统向清洁低碳经济性良好的转变，发展核能技术至关重要。

2019 年我国能源消费煤炭占比58%，占全国二氧化碳排放80%，煤电装机高达10.4 亿千瓦，占全球煤电装机的50%。我国二氧化碳排放量占全球27%，其中能源消费的二氧化碳排放比世界平均水平高30%。在“双碳”目标下，我国从碳达峰到碳中和只有30 年时间，距离碳达峰目标已不足10 年。我国经济正处于高速发展阶段，减排力度和速度空前，要按期实现碳中和的目标，挑战巨大。

数年来世界各国研究和实践证明，核能在能源减碳方面具有独特优势。核能生产过程中不排放温室气体，全寿期碳排放量小，具有能量密度高、无间歇性、占地面积小、受自然条件约束少，且核燃料具有可储存可运输地优点。在我国碳达峰、碳中和进程中，核能作为低碳清洁能源是能源转型的重要选择[4]。同时，随着核技术的发展，核能还将发展非电力应用价值，包括在核能供热、核能制氢等费非典综合利用灵越发挥功能，并将帮助建筑、冶炼、化工等高耗能的终端用能领域的低碳转型，有效降低二氧化碳排放，促进终端能源消费节约和高效利用。

3.1 IEA 预测的中国碳中和路径

IEA 在其2021 年发布的《An Energy Sector Roadmap to Carbon Neutrality in China》[5]报告中，给出了中国实现2030 年碳达峰、2060 年碳中和的推荐路径。其设定了两种场景，一是政策情景（Stated Policies Scenario，STEPS），另一种是承诺情景（Announced Pledges Scenario，APS）。IEA 预测中国碳排放将持续增长，到2030年前后将达到峰值。中国的碳排放主要来自发电企业，占比48%，工业消耗占比36%，运输占比8%，建筑占比5%。至2050 年，中国现有燃煤发电、化工、钢铁水泥生产、道路运输、建筑等能源有关基础设施在寿期运行将排放1 750 亿吨二氧化碳。在STEPS 情景下，可实现2030 年碳达峰，但到2050 年和2060 年仍有70 亿吨和60 亿吨的二氧化碳排放。按照APS 情景，中国有望在2050 年将碳排放降低至18 亿吨以下，到2060 年实现碳中和。IEA 按照APS 情景对中国一次能源需求进行了预测。在APS 情景下，2030 年太阳能和风能装机在2020 年基础上增加2 倍，核能增加75%。2060 年，太阳能和风能将在2020 年基础上增加将近10 倍，核能增加4 倍。

3.2 国内关于核能和我国能源系统碳中和的研究

王仲颖在《中国能源系统转型的中长期战略与途径》[6]的研究指出，在1.5 ℃目标情景下，我国在技术成熟度、经济可承受能力、各领域能源转型实施路径等方面仍缺乏充分基础，需要加强国际合作、创新突破技术瓶颈，以早日形成技术成熟、经济可承受、全社会共同参与的零碳能源系统方案，推动实现全社会净零碳排放。

核能是目前已经掌握的技术成熟、可大规模开发的、稳定可靠的零碳能源。核电价格相对低廉，有助于降低能源系统转型成本。核能与零碳氢和零碳热的耦合潜力强化了核能在我国能源系统转型过程中的地位。安全积极有序发展核电是我国实现碳中和进程中必要一环。

3.3 核能和可再生能源可以支撑我国未来能源转型

全球能源互联网发展合作组织在其提出的能源转型方案[7]中指出，为实现快速脱碳，到2040 年前后清洁能源将在我国成为主导能源。方案预计，2030 年之前，清洁能源占比将从15.3%提高到31%；
2030—2050 年期间，我国进入清洁发展增速最快的阶段，到2050 年达到75%；
2050—2060 年，我国清洁能源发展仍保持较高水平，到2060 年90%能源需求由清洁能源满足，实现能源生产体系全面转型。2030 年前，全社会用电量年增速为3.6%，2030年达到10.7 万亿千瓦时，2050 年达到16 万亿千瓦时。2050—2060 年全社会用电增速为0.6%，2060 年全社会用电量17 万亿千瓦时。全社会2/3 的能源消费均为电能，实现能源消费体系转型[6]。

同时，可再生能源规模化利用也将是我国能源发展的基本趋势。我国风能和太阳能资源潜力巨大，太阳能和风能可以成为我国能源体系中的主力能源。文献给出我国如表2所示。

表2 我国风能和太阳能资源潜力

我国能源转型必须解决好能源转型带来的一系列问题和挑战，并始终确保能源安全。舒印彪在关于《构建以新能源为主体地新型电力系统框架研究》[8]讨论了电力系统面临地问题和挑战时指出：在电力供应保障方面，电源、电网的规划和决策，面临资源禀赋和运行双重不确定性且具有明显地路径依赖性，新能源“大装机、小点亮”的小发时保障供应难度大；
罕见气象、极端天气下的供应保障难度更大。

在我国未来能源转型中，必须更加重视核能的稳定、可靠、经济所能发挥的作用。在靠近负荷中心的中东部地区建设一批核电基地，在其他地区适当布局具备综合供能能力的核能基地，将为我国逐步实现能源转型提供坚实有力的支撑。

4.1 “碳达峰、碳中和”重点行动

《读懂碳中和——中国2020—2050 低碳发展行动路线图》[9]一书指出，实现碳中和需要国家层面统一部署，要研究政策机制，制定方案行动，推动一批重大工程落地，主要包括：战略路径选择、区域协调、国际贸易和产业转移、能源系统转型、电源电网优化、节能、各行业脱碳、能源投资、能源消费、国际合作等许多方面。全球能源互联网发展合作组织在其碳中和路线中建议，在能源、工业、交通、生态、环境等关键领域开展重点行动，主要包括清洁发展跨越行动，化石能源转型行动，能源互联互通行动，产业转型升级行动，零碳社会建设行动，生态治理协调行动。在上述八个方面，核能都将能够提供独特的应用价值。

4.2 核能助推清洁发展跨越

截至2021 年12 月31 日，我国大陆在运核电机组有53 台，装机容量为5 464.7 万kW，全年累计发电量为4071.41 亿kWh，占全国累计发电量的5.02%。

我国目前已经全面掌握先进三代核电技术，模块式高温气冷堆在内的先进堆型正在研发或已开工建设，已经形成了从涉及制造、建造、运行维护、服务一体的完整产业链，具有世界先进水平。积极安全有序发展核电，将为我国能源清洁发展跨越行动提供强大推动力。到2030 年、2050 年、2060 年核电装机至少1.1亿kW、2 亿kW、2.5 亿kW，这一目标必要且可行。

4.3 核能助推化石能源转型

按照碳排放总量和强度“双控”要求建设可靠的新能源，支持化石能源有序退出。我国目前已经掌握的先进核电技术及在建的核电厂可以在负荷跟踪模式下运行，提升电网运行的灵活性，支持间歇性可再生能源的部署，同时保障电力安全。已建成的核电厂可通过热电联供、制氢、储能等手段实施核电灵活性改造，以更好支持可再生能源部署。利用核电制备零碳氢，氢燃料作为跨季节、跨地区储能手段，循序推进燃烧氢发电。推进大型核电热电联供，适时推进高温气冷堆及其他先进小堆的部署，实现发电、供暖、供应工业蒸汽、供氢等，实现石油煤炭等终端能源的直接替代。

4.4 核能助推能源互联互通

能源互联互通是我国实现碳中和技术方案的关键。核电通过核电发电、提供转动惯量改善电网抗扰能力支持电网。依托核电基地建设清洁能源基地，构建区域骨干供热管道连接城市供热管网，实现对新能源开放，形成区域的能源互联和清洁供能，并实现新能源的有效消纳。以核电基地或多组小型反应堆为中心，构建局地综合能源中心，实现电、热、汽、氢联产、联储、联合运行，形成更广泛的能源互联互通。

4.5 核能助推产业转型升级

核电是资金密集、技术密集型产业，积极安全有序发展核电，在助推能源产业转型升级的同时，带动核电产业和核电高端装备制造业发展，立足国内国际双循环，发挥在我国在核电全产业链、全价值链的优势，实现产业结构向核电技术服务等知识技术密集型和生产性服务业转型。

利用核能既提供电能又提供热能的优势，为优化我国传统的钢铁、化工、建材料等高能耗产业的节能提效和电气化替代，提供技术和经济可行的解决方案。核能还提供了独特的非电力应用价值，包括制氢、工业供热、区域供暖、海水淡化、合成燃料和化工产品生产等，帮助这些难以实现电气化的部门脱碳，实现产业转型升级。

4.6 核电行业的能效提升

压水堆核电机组是当今世界和我国的主流核电机型，其设计成熟，安全可靠，但也存在热效率不高的问题。尤其是核电机组单机容量高，较低的热效率造成能源浪费，也不利于环境保护。因地制宜，发展核能综合利用，通过热能“高品质发电、中品质供热、低品质生态利用”，提高能效，减少居民供暖、工业蒸汽等对化石能源消费的依赖和减少碳排放。

4.7 核电要积极参与零碳社会建设

在能耗双控和碳排放双控的大背景下，在清洁低碳能源条件较好的地区，推动用能企业向清洁能源基地周边布局，“以能聚产”有望成为新的产业布局形态。以核能清洁能源基地为中心，通过提供零碳电力、零碳热力、零碳氢及清洁淡水，与集中式和分布式新能源有机结合、高度融合、良好协同，可成为地方吸引投资，发展经济的新优势，为地方经济社会发展提供新动能。核能将为地方生产生活方式绿色转型、培育地方零碳经济社会新形态、打造零碳城市提供强大动力。

4.8 核电参与生态治理协同

核电作为能源基地，发电、供热、制水、制氢一体化，提高厂址资源及设施设备利用率，减少资源消耗。通过热电联供，减少向环境排放废热，提高能效和能源产出的同时，保护海洋等生态环境。通过海水淡化方式制水供水，减少生产生活对天然水资源的过度消耗，改善天然河流湖泊水资源状况，改善生物多样性条件。通过核能综合利用，将低品质余热用于生态育林，支持高科技农业发展，增加核能清洁能源基地周边碳汇，实现负排放。

5.1 “山东海阳等核能综合利用示范”写入了国家“十四五规划”

核能作为零碳排放的能源供给形式，正从原有单一电能供应向多种非电核能综合利用领域拓展，发挥减排降碳、确保能源安全的重要作用。海阳核电在2018 年第一台机组投产之际就积极谋划核能综合利用，围绕电厂余热利用、热效率提高，结合地方清洁取暖、绿色协调发展的实际需求，创造性地提出“现实可行、兼顾长远，由易到难、分步实施，地方协同、产业配套，生态优先、绿色发展”的原则，加大科技研发投入，紧盯能源革命技术前沿，积极开展核能综合利用技术研究，填补了国内在核能综合利用领域的空白，先后建成投产了我国首个核能供热商用示范工程、世界首个水热同传、水热同产同传项目。2021 年，国家“十四五”规划明确提出“开展山东海阳等核能综合利用示范”，充分印证了海阳核电核能综合利用探索和实践契合国家经济社会高质量发展的需要，为未来核能产业多元化发展方向提供了重要参考。

5.2 海阳核能供热工程实践

海阳核电结合前期开展的核能供热工程可行性研究情况，确定依托海阳核电一期2 台AP1000 压水堆核电机组为海阳市进行城市采暖供热计划，分两步实施。第一步，利用现有厂区辅助蒸汽裕量向海阳市政70 万m2供暖；
第二步通过汽轮机抽汽为海阳市政供热，供热面积450 万m2。2019 年11 月，海阳核能抽汽供热一期工程70 万m2项目建成投运，实现国内核能供热零的突破，被国家能源局命名为“国家能源核能供热商用示范工程”。2021 年11 月，海阳核能供暖二期450 万m2供热工程投产，实现海阳城区核能供暖全覆盖，海阳市成为中国首个“零碳”供暖城市。海阳核电1号机组取代了12 台燃煤锅炉，成为世界上最大的热电联产机组。采用核能供暖后，海阳市每个供暖季预计可节约原煤10 万t，减排二氧化碳18 万t、烟尘691 t、氮氧化物1 123 t、二氧化硫1 188 t，相当于种植阔叶林1 000 公顷，同时全厂热效率从36.69%提高到39.94%，每年可减少向环境排放热量130 万GJ，有效改善区域大气环境和海洋生态环境。

5.3 水热同传和水热同产同传的工程实践

为进一步拓展核能综合利用技术创新应用和缓解北方地区冬春两季季节性缺水的实际问题，2020 年11 月15 日海阳核电建成投运了全球首个水热同传示范工程，取得核能综合利用的新突破。水热同传打破了供水、供热需要三根管道的传统模式，大幅度降低了供水、供热的工程投资及运营成本，能够节约宝贵的城市地下空间资源，可同步缓解区域热资源紧张和水源紧张两项事关民生的重大问题。在水热同传基础上，2021 年5 月份，海阳核电与清华大学合作建成世界首个“水热同产同传”试验工程，中国工程院院士及专家评估认为，该项技术整合实现传统单独产热供热、单独制水供水两套系统的功能，降低了建设投资和运行成本，提高了能源及设施利用率，应用场景十分广泛。该项技术为核电厂生产清洁的电、零碳的暖、纯净的水打开了新局面。

5.4 海阳核能综合利用后续拓展

海阳核电按照新发展理念要求，以能源绿色低碳发展为目标，确立了核能梯级高效利用思路，持续开展一系列核能综合利用技术研究和工程实践，目前积极推进大规模核能抽汽供热、海水淡化工程研究、核能+现代农业等场景的应用和开展。其中，大规模核能抽汽供热关键技术研究方面，研究3 000 万m2大规模供热，并通过长输管网和大温差技术为核电基地100 km 范围的城市供暖。核电厂大型海水淡化工程研究方面，完成了分二期实施、全面建成后淡化海水产能达1 亿吨的大型海水淡化前期研究工作。研究大规模水热同传及高温海淡水长输管道材质方面，研究120 ℃高温海淡水及100 km 以上长距离输送管道材质研究，为更大规模供热供水提供技术支撑。探索利用核电厂排水口余热培育红树林，探索高效利用低品质余热的“南红北移”的可能性。核能+高科技农业方面，拟依托核电基地提供清洁电力、热力和淡水，支持高科技农业。

6.1 核燃料供应可以支持核能的进一步发展

经济合作与发展组织核能机构（OECD/NEA）与国际原子能机构（IAEA）联合发布新版铀红皮书显示，截至2019 年1 月1 日，全球开采成本低于260 美元/kgU 铀资源总量为807.04 万tU。按照2018 年5.92 万tU 年度需求水平计算，目前资源量可满足未来超过135 年的全球核能应用需求。预测到2025 年，全球核电堆天然铀需求量为6 万吨左右，到2040 年可达每年10 万吨。[10]

未来，随着快堆技术的不断发展，有望使天然铀中占绝大多数的238U 得到高效利用，使铀的利用率可提高数十倍。

6.2 核电的安全是有保障的

国务院新闻办发表的《中国的核安全》[11]白皮书指出，中国长期保持良好的核安全记录，核电安全运营指标居世界前列，核技术利用安全水平不断提升，核材料管控有力，公众健康和环境安全得到充分保障。中国坚持采用最先进的技术、最严格的标准发展核电，按照多重屏障、纵深防御的理念，严格管理核设施选址、设计、建造、运行、退役等全生命周期活动，确保稳妥可靠、万无一失。国内核电机组性能指标总体处于良好水平，运行机组WANO 综合指数多项指标世界领先。

6.3 放射性废物处置问题可通过技术手段解决

1 台百万千瓦压水堆核电机组放射性废物产生量设计值为50 m3/年，实际大约20 m3，其中绝大部分是放射性水平很低的废物。当前大约50 台运行机组，每年产生的放射性废物大约为1 000～2 500 m3，大部分可采用焚烧方式进一步减容。放射性固体废物固定处理后，在核电厂内暂存，长期则送往中低放处置场，与环境和公众隔离。核电运行产生的放射性废物数量有限，且可安全处置，不会对环境造成太大负担。

6.4 乏燃料是可循环利用的资源

我国实行核燃料闭式循环战略，逐步建立起包括铀矿冶、铀转化、铀浓缩、核燃料元件加工、乏燃料后处理和放射性废物处理处置等完整的核燃料循环体系，对乏燃料进行后处理并循环利用。乏燃料处理后可以提取钚等多种有用的元素。乏燃料后处理会产生一定量的高放废物。高放废物可采取目前国际上普遍认可深地质处置方式进行最终处置。美国、欧洲等持续开展高放处置场的选址和技术准备，我国也在积极开展选址工作。随着相关技术的发展，无论中国还是世界范围，乏燃料处理问题将会逐步得到解决。

在我国“碳达峰、碳中和”进程及能源领域快速变革中，核能必将以其清洁低碳安全可靠的优势，发挥独特地位，助力能源清洁低碳转型，实现高质量发展。关于未来我国核能行业发展，结合实践探索经验，提出以下建议：

（1） 一是研究核电项目核准审批框架，增强核电项目地可预期性，以利于产业链合理安排产能，保障持续健康发展。

（2） 二是大力提倡核电向核能发展，提高核能利用效率。核电厂可按照“因地制宜、因厂制宜”思路，充分考虑核电厂址和地区经济社会发展、民生需求，积极开展核能供热供汽、核能制氢、核能海水淡化等核能综合利用，提高综合能效。

（3） 三是建议抓紧研究包括高温气冷堆在内的有很高固有安全性的堆型选。推进高温气冷堆等先进堆型内陆地区选址，优化我国电源结构，在新能源成为主力电源后，为电网安全提供支撑。

（4） 四是建议开展核能制氢工程示范。开展核能+氢能耦合工程示范，推进核能制氢技术和应用研究，积累工程经验，为未来大规模核能制氢发展提供借鉴。

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