基于生命周期评价的核电环境影响分析

　　摘要：核能发电是电力领域深度减排的关键技术之一，研究核电的环境影响可为碳中和背景下的能源政策设计提供参考。文章以典型核电站为研究对象，运用生命周期评价方法建立核能发电系统的生命周期清单并进行环境影响评价;与传统火力发电及风电、水电和太阳能发电等可再生能源电力的生命周期评价结果进行对比;进一步根据电力行业“十四五”规划，预测未来电网的改进潜力。研究表明：核能单位发电量的碳排放量为 3.37g/(kW·h)，低于火电、水电及太阳能发电的碳排放强度，但略高于风电;核能单位发电量的综合环境影响指标低于火电和太阳能发电，但略高于风电和水电;到 2025 年，随着核电和其他可再生能源发电的优化部署，中国电力行业平均单位发电的生命周期环境影响将减少约 17%。总体来说，核电的各项指标小于火电，接近各类可再生能源电力，积极有序的发展核电，有助于促进中国电力系统的净零碳排放转型。

　　关键词：环境工程学;核能发电;生命周期评价;碳排放;环境影响

　　穆献中; 徐琴; 刘宇; 胡广文， 安全与环境学报 发表时间：2021-11-15

　　0 引 言

　　“十三五”期间，我国致力优化电力结构，逐年减少火力发电装机的新增装机容量，更大限度的给非化石能源发电形式提供发展空间与帮助。截至 2020 年，我国年发电量已达到了 7.8 万亿 kW·h [1]，占全球发电总量的 28%，是第二名美国的 1.85 倍。其中，火力发电量为 5.2 万亿 kW·h [1-2]，占全国发电总量的 66.7%，仍属我国的主要发电形式。受发电模式的限制，火电造成的环境影响远高于核电及其他可再生能源电力。据《中国长期低碳发展战略与转型路径研究》综合报告显示，电力行业的 CO2排放量于 2020 年达到 40 亿吨，占全国 CO2排放量的 40.5%[3]。其排放的烟尘、二氧化硫和氮氧化物的数量也分别达到 15.5 万吨、18.0 万吨和 87.4 万吨[1]。电力行业成为温室气体及大气污染物的重要产生来源。

　　作为全球最大的能源生产国和消费国，我国在全球能源低碳转型格局中处于举足轻重的位置。2020 年 9 月，习近平主席宣布中国将提高国家的自主贡献力度，力争 CO2排放量在 2030 年前达到峰值，在 2060 年前实现碳中和。

　　要实现能源低碳转型有两个重要方向：一是化石能源低碳化，目前我国能源结构的主体仍然是碳基能源，化石能源的消费占比超过了 80%，因此要加大对超低排放化石能源高效清洁利用技术的研发投入和推广应用力度;二是低碳能源规模化。增加核能、风能、光伏、电动汽车和电池存储等低碳能源技术上的投资，建立以非化石能源为主体、电力为基础的气候友好型低碳能源体系。一方面，将发电行业纳入碳市场，不仅可以低成本减碳，还可以推动淘汰低效燃煤电厂，促进电力行业的低碳转型。另一方面，加快清洁能源的开发利用，进一步完善电网建设，可以加快推动碳达峰、碳中和工作的落实。

　　截至 2020 年，我国可再生能源及核电的装机容量为 9.5 亿 kW，占现存发电装机容量的 43.2%。其中风电、水电、核电和太阳能发电的装机容量分别是 2.8 亿 kW、3.7 亿 kW、0.5 亿 kW 和 2.5 亿 kW[1]。同年，我国可再生能源及核电的年发电量为 2.6 万亿 kW·h，占全国发电总量的 33.3%。其中风能、水能、核能和太阳能的发电量占全国发电总量的比例分别是 6.1%、17.5%、4.7%、3.3%。总体来看，核电的装机容量较少，占全国发电总量的比例远低于全球平均值 10.3%，我国在核电方面仍有很大的上升空间。

　　核电在运行发电阶段是 “零排放、零污染”，但从整个生命周期来看，在核燃料开采、提取、转化和加工、设备生产和核电站建设等阶段造成的环境影响仍不容忽视。为有效评估核能发电的资源能源消耗及环境影响等情况，国内外学者应用生命周期评价(life cycle assessment，LCA)方法对其进行了深入研究。1992 年，Yasukawa 等[4]首次报道了核能反应堆和燃料循环系统的生命周期二氧化碳排放数据。1999 年，Andseta 等[5]根据核燃料循环的不同阶段估算了前端、建设、运营、后端和退役的单位发电量温室气体排放量，为后续研究进行对比分析奠定了基础。2007 年，Fthenakis 等[6]对核电生命周期中温室气体排放的低、中、高结果进行了讨论，并得出差异性可以通过富集、建设和操作方面不同假设进行解释的结论。2001 年，马忠海等[7]首次对我国已投入运行的国产堆型核电站进行全核电链温室气体排放系数的计算与研究，得到核能发电过程并不直接排放温室气体，其间接排放来自于火力发电及核设施建设等阶段的结论。随后姜子英等[8]在 2015 年发表的《中国核电能源链的生命周期温室气体排放研究》一文中也应用全能源链分析和 LCA 方法，再次对我国核电链的生命周期温室气体排放进行了计算。2013 年，周杰等[9]通过欧洲 Ecoinvent v2.0 数据库中的多个国家各种技术的电力生命周期清单，利用简式生命周期法(简化生命周期的步骤或使用二次数据)对火电、核电和可再生能源发电的资源消耗及污染物排放进行了对比分析，同时采用 Eco-indicator99 模型进行归一化和加权处理得到综合评价指标环境负荷值。

　　目前国内外对核电的生命周期评价研究已经逐步深入，但主要集中在两个方面：一种是仅针对核电链的温室气体排放研究，一种是只考虑与其他电力资源之间同种评价指标的比较评估。缺乏一项覆盖核电链生命周期的多指标综合性比较研究，以及多种发电形式间多指标的横向比较研究。因此，结合国内实际情况对该问题进行更加深入的探讨和研究具有一定意义。

　　本研究对核能发电进行生命周期评价，分析其对资源、能源的消耗及大气污染物的排放情况，为更全面了解核能发电提供参考。在文献调查与实地调研的基础上，将火电、风电，水电、核电与太阳能发电的生命周期评价结果进行比较分析，并根据电力行业“十四五”规划目标，计算 2025 年全国平均电网发电的生命周期清单，为我国能源低碳转型和实现“碳达峰” 目标的路径决策提供参考。

　　1 核能发电的生命周期评价

　　1.1 系统边界

　　本研究选取我国典型核电站为研究对象，将两台单机容量为 98.4 万 kW 的压水堆核电机组生产 1kW·h 电力定义为功能单位。同时基于 ISO14040/GBT24040 系列标准及相关文献[8]，将核电生命周期的系统边界划分为电厂周期和燃料周期，如图 1 所示。其中，燃料周期包括燃料加工、运行发电和废弃处理三个阶段;电厂周期包括核电站建设、电厂运行及核设施退役回收三个阶段。

　　核设施退役回收是电厂周期的最后一个阶段，各过程涉及到的建筑物和设备均需要拆除，并对活化物质进行适当的去污处理，所以核设施退役通常有几十年不等的“安全封闭期”。我国核电站尚处于发展阶段，没有相关的核电站设施退役及核燃料废弃物处理的实践案例，故本研究不涉及核设施退役回收及核废料最终处置的分析。

　　1.2 清单分析

　　1.2.1 燃料加工

　　燃料加工阶段包括铀矿采冶、加工精制、转化浓缩和元件制造。具体步骤为将开采出来的铀矿石进行精选，送至前处理厂，将其粉碎磨成粉末，对其进行化学萃取，纯化得到黄饼;接着在转化浓缩厂中将铀的氧化物进行转化，浓缩 235U;最后经化工冶金工艺得到 UO2粉末，再经压制，烧结和磨削得到二氧化铀陶瓷芯块，填充获得核燃料棒。

　　燃料加工阶段中涉及到的基础设施所消耗的建材与能耗将折算到其服役期间每个燃料棒的产出中。

　　1.2.2 核电站建设

　　典型核电站的基础工程建设和主要设备生产需要大量的建材和能耗，其中消耗铅 100t，铜 670t，镍合金 700t，不锈钢 3.5×103 t，碳钢 1.2×105 t，水泥 2.1×105 t，混凝土 7.2×105 m3，电力 6.8×106kW·h。

　　国际上轻水堆核电站的设计寿命通常为 40 年，但实际运行寿命可通过延寿技术延至 80 年左右。根据全国电力工业统计快报中核能发电厂设备利用小时等统计数据估算核电站年平均工作时间为 7100 小时[10]。调研核电站有两台单机容量为 98.4 万 kW 的压水堆核电机组，根据工作时间与服役年限，估算核电站在服役期间的发电总量为 11.2 万亿 kW·h。核电站运行期间的外购电量年均约为 0.14 亿 kW·h。

　　1.3 数据来源

　　核能发电生命周期中涉及到的各项能源、资源的基础环境负荷清单来自北京工业大学的 Sinocenter[11]数据库与欧洲的 Ecoinvent[12]数据库。

　　1.4 生命周期清单分析

　　综合核能发电生命周期的三个阶段及各阶段产品比例可以得到核能发电系统单位发电量在生命周期各阶段的能源消耗及大气污染物排放的汇总清单。如表 1 所示。

　　各阶段能源消耗及大气污染物排放占比，如图 2 所示。结果显示，燃料加工阶段对能源的需求量较大，是大气污染物的主要产生来源;核电站建设阶段的能源消耗和大气污染物排放主要来自建筑和组件材料的生产和运输;运行发电阶段的能源消耗和大气污染物排放占比最小，原因为核能发电不直接消耗碳基燃料及产生大气污染物，此阶段只包含了外购电力及维护使用阶段的间接化石燃料消耗及污染物排放。

　　2 不同发电形式的对比分析

　　2.1 研究对象和数据来源

　　本研究选取火力发电、风力发电、水力发电和太阳能发电与核能发电进行对比，主要案例及数据来源如下。

　　火电：以国内发电技术和污染治理措施都较为先进的超超临界(USC)清洁燃煤电厂为研究对象，系统边界包括电厂建设、运行发电(含燃料开采)和退役回收。各阶段能源消耗和物质排放数据见文献[13]。

　　风电：选取我国典型风电场(2MW 机型，67m 塔架)为研究对象，系统边界包括机组组件生产、风电场建设和运行发电，各阶段能源消耗和物质排放数据参考北京工业大学数据库[11]。

　　水电：选取我国典型水电站为研究对象，系统边界包括机电设备生产、水电站建设和运行发电，各阶段能源消耗和物质排放数据参考北京工业大学数据库[11]。

　　太阳能发电：以国内一家生产模式为垂直一体化的多晶硅太阳能企业为研究对象，系统边界包括光伏组件生产、电厂建设和运行发电，各阶段能源消耗和物质排放数据见文献[14]。

　　不同发电形式的基本参数如表 2 所示。

　　2.2 不同发电形式的能耗及排放对比

　　2.2.1 化石能源消耗

　　根据各发电形式的能源消耗及对应的折标准煤系数[15]可得到各发电形式单位发电量的标准煤耗(即化石能源消耗)。结果显示，不同发电形式单位发电量的标准煤耗中，火电为 368g/(kW·h)，风电为0.354g/(kW·h)，水电为 0.153g/(kW·h)，核电为 1.35g/(kW·h)，太阳能发电为 7.22g/(kW·h)。

　　2.2.2 CO2

　　从单位发电量碳排放量来看，火电、风电、水电、核电及太阳能发电分别为 1410[13]、2.66[11]、22.2[11]、3.37 和 28.8[14]g/(kW·h)。 火电在运行发电阶段碳排放量最高，为 1350 g/(kW·h)，占火电生命周期总碳排放量的 95.6%，主要原因为发电过程中碳基化石燃料造成的排放量巨大。风电在机组组件生产阶段碳排放量最高，为 1.87 g/(kW·h)，占风电生命周期总碳排放量的 74%。水电在运行发电阶段碳排放量最高，为 22 g/(kW·h)，占水电生命周期总碳排放量的 99%，主要原因为水电站周期性蓄水淹没土壤造成碳排放。核电在燃料加工阶段碳排放量最高，为 2.87 g/(kW·h)，占核电生命周期总碳排放量的 85%。太阳能发电在光伏组件生产阶段碳排放量最高，为 55.2 g/(kW·h)，占太阳能生命周期总碳排放量的 98%。不同发电形式生命周期各阶段碳排放占比如图 3 所示。

　　总体来看，除水力发电的碳排放主要集中在运行阶段，其他可再生能源电力的碳排放都集中在组件生产阶段;火力发电的碳排放主要集中在发电运行阶段(含燃料燃烧);核能发电的碳排放主要集中在燃料加工阶段。

　　2.2.3 NOX、PM10 和 SO2

　　从单位发电量大气污染物排放来看，火电生命周期排放的总量远高于其他四类发电形式。太阳能发电和风电的大气污染物排放总量差距不大，核电次之，水电最少。

　　如图 4 所示，在可在生能源电力中，风力发电的 PM10排放量最大，为 0.417 g /(kW·h)，发生在机组组件生产阶段，这是因为组件材料在制造过程中产生了大量粉尘。太阳能发电的 NOX 和 SO2 排放量最大，分别为 0.151 g /(kW·h)和 0.196 g/(kW·h)，发生在光伏组件生产阶段，这是因为太阳能电池在制造过程中涉及多项转化提取的步骤。

　　2.3 不同发电形式的环境影响对比

　　本研究基于 ReCiPe 方法体系，根据清单分析提供的数据将生命周期中的各类物质转化成具体的环境影响类型，并进行分类、特征化、归一化、损害评价和加权等操作，以得到各类发电形式的综合环境影响指标。

　　2.3.1 环境影响类型

　　本研究选取 FDP(化石能源消耗影响)、GWP(全球变暖影响)、AP(酸化影响)、POFP(光化学烟雾影响)、PMFP(颗粒物影响)五项影响类型指标。特征化结果(图 5)显示，火力发电的五项环境影响类型指标均为最高。可再生能源及核电中，太阳能发电在 FDP、GWP、POFP、AP 类型方面的影响值最大，风电在 PMFP 类型方面的影响值最大。不同环境影响类型中，以火电的环境影响类型指标为 100%，可再生能源及核电所占比例如图 5 所示。

　　2.3.2 综合环境影响指标

　　进一步探究各类发电形式的综合环境影响，本研究将不同环境影响类型的特征化结果进行归一化、加权后得到综合环境影响指标结果。其中火电的综合环境影响指标最大，为 1.4×10-15;其他依次是太阳能发电，为 2.74×10-17;核能发电，为 5.19×10-18;风力发电，为 1.49×10-18;水力发电，为 6.02×10-19。

　　3 2025 年全国平均电网清单预测

　　随着经济的高质量发展及碳达峰目标尽快实现的需要，同时考虑新冠疫情给短期经济发展带来的明显冲击，“十四五” 期间我国经济发展将保持中速增长。按照经济增长 5.5%，电力需求年均增速 4.4%，电力弹性系数为 0.8 进行综合预测计算 [16]。2025 年，我国电力装机总量达到 29.5 亿 kW，其中可再生能源及核电的装机容量达到 17 亿 kW，占总装机容量的 57.5%;电力生产总量达到 9.3 万亿 kW·h，其中可再生能源及核电的发电总量约为 4.15 万亿 kW·h，占电力生产总量的 45%[16]。在 2025 年全国电力生产总量中[16]，火电的发电量占比为 55.3%、风电的发电量占比为 11.0%、水电的发电量占比为 16.0%、核电的发电量占比为 5.5%、太阳能发电的发电量占比为 9.5%、生物质及其他的发电量占比为 2.7%。对比 2020 年全国电力生产总量中[1-2]，火电的发电量占比 66.7%、风电的发电量占比 6.1%、水电的发电量占比 17.5%、核电的发电量占比 4.7%、太阳能发电的发电量占比 3.3%、生物质及其他的发电量占比 1.7%。根据各发电形式的生命周期清单预测 2025 年全国平均电网发电的生命周期清单，并分析未来电网能源消耗、温室气体及大气污染物排放的下降比例及改进潜力。如表 3 所示。

　　4.结论

　　本研究采用 LCA 方法研究核能发电系统单位发电在生命周期各阶段的能源消耗、温室气体及大气污染物的排放情况，并与火电、风电、水电和太阳能发电进行比较，结果显示，核电具有较好的环境效益，积极有序发展核电有助于实现我国能源领域的低碳转型。

　　(1)从全生命周期来看，核能单位发电生命周期碳排放量为 3.37g/(kW·h)，其中燃料加工阶段的碳排放量为 2.87g/(kW·h)，核电站建设阶段的碳排放量为 0.5g/(kW·h)，运行发电阶段的碳排放量为 1.02×10-6g/(kW·h)，远低于火力发电生命周期碳排放量。

　　(2)综合对比五种发电形式的各项指标与环境影响评价结果，核能单位发电量的标准煤耗为 1.35g/(kW·h)、PM10 排放为 1.26×10-2g/(kW·h)、NOX 排放为 1.25×10-2g/(kW·h)、SO2 排放为 1.49×10-2g/(kW·h)、综合环境影响指标为 5.19×10-18 与风电及水电等可再生能源发电的排放强度和环境影响结果接近，属于环境友好型发电能源。

　　(3)按照“十四五”规划，到 2025 年，当火电发电比例下降 11.4%，水电发电比例下降 1.5%(装机容量持续上升)，风电、核电和太阳能发电的发电比例提高 4.9%、0.8%和 6.2%时。电力行业单位发电的标准煤耗将下降 16.87%;CO2 排放量下降 16.83%;NOX、SO2和 PM10 的排放量分别下降 16.81%、16.7%和 16.91%。