摘要：应用全能源链分析(PCA)和生命周期分析(LCA)方法,采用第一手调查数据和一些新的参数,对我国核电能源链的生命周期温室气体排放进行评价计算.结果表明,现阶段我国核电能源链(包括核燃料循环前段、核电站)的实际温室气体排放量为6.2gCO2,eq/(kW·h),若考虑核燃料循环后段(乏燃料后处理与废物处置)则总的温室气体排放量为11.9gCO2,eq/(kW·h).核电是低碳能源,发展核电代替一定规模的煤电提供一次能源,每1kW·h电力生产能够减排大约1kg二氧化碳.推进核电产业链的技术升级和持续节能降耗,鼓励材料再循环再利用,核电能源链的温室气体排放仍有进一步降低的空间.
关键词：核电;能源链;生命周期;温室气体排放
中国温室气体排放总量已位居世界第一,能源需求还在继续增长,温室气体排放总量在一定时期内还将进一步增加.在整个能源中,发电能源排放温室气体总量超过40%.促进发电能源部门的技术进步和结构优化,无疑是温室气体减排的重要着力点.若只考虑发电厂能源转化过程的直接温室气体排放,核发电本身不产生温室气体,核电是所谓的“零排放”电站,而实际上,核燃料的开采、加工阶段,电站建设、设备制造、运输和退役活动也会消耗化石能源并产生温室气体排放.因此,在生命周期视角下,首先要考虑全能源链过程,即包括从燃料开采,原材料加工、制造、运输,能源转换(发电),到废物处理和处置的全过程的(直接的)温室气体排放;其次也要考虑能源链系统及相关基础设施在建设、运行和退役期间所消耗的能源和原材料(如钢铁、水泥等)在其开采、加工制造过程产生的(间接的)温室气体排放.
20世纪90年代以来,欧洲、美国、日本等国家对核电能源链(简称“核电链”)的生命周期温室气体排放开展了较为广泛的研究.欧洲国家对核电链的温室气体排放评价结果范围为6~12gCO2,eq/(kW·h)[1],其中最小值是对法国的估算,假设使用了10%的MOX燃料(混合氧化燃料)并且100%由Eurodif(法国核燃料浓缩工厂)的扩散厂生产;最大值是对德国的估算,假定使用了13%的MOX燃料和综合的铀浓缩服务,即10%来自USEC(美国铀浓缩公司)的扩散厂(由燃煤提供的电力)和将近70%的浓缩服务假定由基于离心技术的URENCO(铀浓缩公司)工厂提供(其能耗水平比USEC扩散厂低65倍).一些研究采用能源链分析法(PCA)计算了铀矿开采、冶炼及矿区恢复,铀转化,铀浓缩,燃料元件制造,运输,核电厂建设、运行、维护及改造、退役等相关活动中的能耗和温室气体排放.例如,Torfs等[2]计算(比利时)核燃料循环上游由于直接的能源利用而产生的温室气体排放的范围在4.7~13.6gCO2,eq/(kW·h).Voorspools等[3]计算(比利时)核电厂建设、运行和退役等阶段的温室气体排放结果为1.8~4gCO2,eq/(kW·h).Tahara等[4]、Tokimatsu等[5]计算日本核电链的温室气体排放结果为1.8~20.9gCO2,eq/(kW·h).Ruether等[6]、Meier等[7]计算美国核电链温室气体排放结果为3~17gCO2,eq/(kW·h).还有一些研究基于整理公开发表的生命周期分析结果对世界上核电链的温室气体排放平均水平进行了评价.例如,VanDeVate[8]、Weisser[9]的评价结果分别为8.9、2.8~24gCO2,eq/(kW·h).从国际上研究结果来看,核电链的温室气体排放主要发生在核燃料循环的上游和下游.不同研究结果的差异主要是由于系统边界设定的不同,采用的能源和材料的碳排放因子也有区别.
中国具有完整的核燃料循环体系,涵盖了铀勘探、铀生产、铀浓缩、燃料组件制造、核电厂建设和运营、废物处理和处置的完整核能产业链.马忠海、潘自强等[10]基于20世纪90年代中期我国已投运的国产堆型核电站(即秦山核电站)的数据统计和代表性的铀矿开采和冶炼的典型数据,计算我国核电链的温室气体排放系数为13.7gCO2,eq/(kW·h).结果显示:核电链各环节中,核电站运行期间的温室气体排放最小,仅占14.5%,主要是由为维持核电正常运行而引入的火电造成的(在计算涉及的火电时,核电运行期间的火电采用1996年供电煤耗410gce/(kW·h),其他设施均采用1985年的供电煤耗431gce/(kW·h));另一个重要来源是核电链相关设施建设过程中各类建材在其制造过程中的温室气体排放,主要为水泥、碳钢、铜和不锈钢(合金钢)等,这些因素占核电链的48.5%.
进入21世纪以来,我国核电开发处于批量化、规模化的快速发展阶段,为适应核电发展需要,核燃料产能和技术水平也有整体提升.目前,二代和二代改进型压水堆核电机组是我国掌握和成熟的主流核电技术,已经投入商运的核电机组各项运行指标处于世界中上等水平以上[11].天然铀的生产技术最初以常规采冶工艺为主,现已广泛采用地浸、堆浸技术.铀浓缩已完成气体扩散法向气体离心法的过渡,相同产量产品的能耗大大降低.与此同时,我国电力(火电)和其他工业行业(钢铁、水泥等)整体上提高能效而能耗水平逐年降低.可见,近20年来我国核电链的温室气体排放情形已经发生了新的变化.因此,有必要采用第一手调查结果和一些新的参数,补充一些以往缺乏资料环节的数据,对我国核电链的生命周期温室气体排放做更全面的评价.
1研究方法与范围
1.1计算边界
核电链的生命周期计算边界见图1.核电链系统及相关基础设施在建设、生产运行和退役期间涉及到大量的建筑材料、原材料、能源(电力、燃料)消耗,按照“统计主要因素,忽略次要因素”的原则,只计算对温室气体排放贡献较大的,对于归一化消耗量很少或对总温室气体排放贡献极小的(低于千分之一时),认为其可以忽略.
1.2核算范围
本研究参考生命周期分析[12-13]和碳足迹评价[14-18]有关标准,经研究分析后确定了对核电链的生命周期温室气体排放的核算范围:(1)原材料变化过程中产生的(包括所有能源消耗导致的)排放、原材料开采和提炼过程中以及产生的废弃物导致的排放.(2)能源的供应(包括电力和热力的生产)和使用过程(如煤燃烧)中产生的排放、上游排放(燃料开采、加工以及运输至发电厂)、下游排放(如放射性废物处理和处置过程).(3)制造以及提供服务过程中的排放(如核电主要设备和部件的加工制造).(4)保障运行的设施的排放(如核电厂用于保障核安全和厂区工作生活的外购电).(5)运输过程的排放(包括原材料、燃料、产品及废弃物).(6)不予核算的内容,包括人力使用导致的排放、消费者导致的排放(如居民用电)、人员(上下班)的运输过程导致的排放等.
2计算结果
2.1铀矿采冶
我国铀矿采冶包括常规采冶、原地浸出、地表堆浸、原地爆破浸出等工艺.8家铀矿冶单位的主要材料和耗电量的统计数据见表2[20],基于平均值(即所调查铀矿冶单位的材料和能源消耗总量除以调查单位个数)计算.铀矿山的寿期按30a设定.铀矿采冶(包括铀纯化)的温室气体排放量为2.33gCO2,eq/(kW·h),见表3.
2.2铀转化和铀浓缩
铀转化是从精制UO2转化到UF4和UF6的生产.我国在甘肃矿区的铀转化生产厂采用干法工艺,已初步实现了规模化生产和供应.铀浓缩是从天然铀生产浓缩铀,主要工艺流程包括铀氟化、同位素分离和还原三个部分.气体扩散技术是第一代工业铀浓缩技术,能耗很大(约2400kW·h/kgSWU);我国铀浓缩已实现由气体扩散法向气体离心法的过渡.气体离心技术的能耗则低得多(约50kW·h/kgSWU).铀转化和铀浓缩设施建设过程中主要材料的消耗量[10]:水泥为7.26×10-1g/(kW·h),碳钢为1.17×10-1g/(kW·h),不锈钢为9.08×10-4g/(kW·h),铜为3.09×10-2g/(kW·h),铝为2.39×10-4g/(kW·h).按铀浓缩生产能力500tSWU/a计算.铀转化和铀浓缩的温室气体排放量为1.15gCO2,eq/(kW·h),见表4.
我国铀浓缩的扩散工艺已完成退役(简称“扩散退役工程”).扩散退役工程包括主工艺设施、化工设施和辅助工艺设施,共有16个放射性厂房和10个非放射性厂房,主要材料是水泥和金属(其中钢材占到金属用量的90%以上),扩散退役工程的温室气体排放量为7.9×10-2gCO2,eq/(kW·h),见表5.需要说明,计算缺少能源消耗的统计.
2.4核电站
目前我国主流核电技术是二代和二代改进型的百万千瓦级压水堆核电机组.选取中国大陆第一座百万千瓦级大型商用核电站作为研究对象——以大亚湾核电站为例.核电站建设施工阶段消耗的主要材料见表6.反应堆压力容器、蒸汽发生器、堆内构件等主要设备锻件在其生产加工过程中的耗电量统计见表7.核电站运行期间仍需有部分外购电作为补充,主要用于(在机组主变检修或外部主电源失去情况下)保障提供厂用电和反应堆安全停堆用电,以及向核电站厂区办公和生活设施供电.外购电情况见表8,扣除向其他核电工程施工提供的用电量,大亚湾核电站年均外购电约为1.39×107kW·h.核电站生产运行期间的能耗、负荷因子和发电量统计见表9.
核电站的寿期设定为60年[19](目前我国已建核电站的设计寿命均为40年,在建核电站有设计寿命40年和60年两种,其中采用EPR和AP1000三代技术的核电站设计寿命均为60年),这是因为:世界上很多国家已经以法律的形式批准了一批核电机组延寿,例如美国已有50座左右的核电机组完成了将寿命延长到60年的运行执照更新,韩国通过修订定期安全评审(PSR)的法规将核电站寿命由60年提高至80年.IAEA对此持肯定态度并正在开展旨在延长全球在役核电机组寿命项目(将寿命从40年延长到60年).所以从技术层面,核电站的寿期可以达到60年.
2.5乏燃料后处理
对反应堆乏燃料后处理是回收乏燃料中未燃尽的235U和新生的239Pu等易裂变材料,将铀、钚与裂片元素和其他次要锕系元素分离,铀、钚返回反应堆循环利用,而废物做进一步的处理和处置.目前世界上普遍采用的后处理技术是水法Purex流程.我国动力堆核燃料循环采取后处理的技术路线,目前核电乏燃料后处理中间试验厂(简称“中试厂”)已建成并完成热试,但中试厂不同于工业规模商用核电乏燃料后处理厂,其不仅处理能力小,开工率无要求,而且还需兼容新工艺新技术的研发试验.我国商用的大型乏燃料后处理厂处于立项和筹建阶段,目前难以估计其建设施工的材料和能源消耗量.国际上,Rotty等[21]报道了1000MW轻水堆(LWR)乏燃料后处理的能耗水平:(电)能耗为30GW·he/a,(热)能耗为150GW·hth/a,合计约为80GW·he/a.可以认为,我国未来建设的乏燃料后处理厂的能耗水平也在此范围内,据此估算乏燃料后处理设施运行期间的温室气体排放量约为5.29gCO2,eq/(kW·h).
2.6废物处置
我国已在西北和广东建成了两座低、中放固体废物处置场,对于高放固体废物采取深地质处置方案,预计在21世纪中叶建成一座国家深地质处置库,目前尚难以估计其建设施工和运行期间的材料和能源消耗量.参考英国核工业放射性废物处置公司(NIREX)给出的对高放废物(HLW)、中放/低放废物(ILW/LLW)处置中的基建能耗和电力消耗数据[21],见表11.假定核电站反应堆卸下的乏燃料最终全部作为高放废物处置,并且没有考虑乏燃料临时贮存期间(简称“临时贮存”)运行和维护的能耗,则保守估计废物处置的温室气体排放量为4.33×10-1gCO2,eq/(kW·h).需要说明,世界上还没有建成的高放废物处置库,放射性废物处置的能耗数据和温室气体排放量都是较粗略的估计值.——论文作者：姜子英1*,潘自强2,邢江3,於凡
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