中國核電能源鏈的生命周期溫室氣體排放研究

發布時間：2021-03-18所屬分類：科技論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：應用全能源鏈分析(PCA)和生命周期分析(LCA)方法,采用第一手調查數據和一些新的參數,對我國核電能源鏈的生命周期溫室氣體排放進行評價計算.結果表明,現階段我國核電能源鏈(包括核燃料循環前段、核電站)的實際溫室氣體排放量為6.2gCO2,eq/(kWh),若考慮核

　　摘要：應用全能源鏈分析(PCA)和生命周期分析(LCA)方法,采用第一手調查數據和一些新的參數,對我國核電能源鏈的生命周期溫室氣體排放進行評價計算.結果表明,現階段我國核電能源鏈(包括核燃料循環前段、核電站)的實際溫室氣體排放量為6.2gCO2,eq/(kW·h),若考慮核燃料循環后段(乏燃料后處理與廢物處置)則總的溫室氣體排放量為11.9gCO2,eq/(kW·h).核電是低碳能源,發展核電代替一定規模的煤電提供一次能源,每1kW·h電力生產能夠減排大約1kg二氧化碳.推進核電產業鏈的技術升級和持續節能降耗,鼓勵材料再循環再利用,核電能源鏈的溫室氣體排放仍有進一步降低的空間.

　　關鍵詞：核電;能源鏈;生命周期;溫室氣體排放

　　中國溫室氣體排放總量已位居世界第一,能源需求還在繼續增長,溫室氣體排放總量在一定時期內還將進一步增加.在整個能源中,發電能源排放溫室氣體總量超過40%.促進發電能源部門的技術進步和結構優化,無疑是溫室氣體減排的重要著力點.若只考慮發電廠能源轉化過程的直接溫室氣體排放,核發電本身不產生溫室氣體,核電是所謂的“零排放”電站,而實際上,核燃料的開采、加工階段,電站建設、設備制造、運輸和退役活動也會消耗化石能源并產生溫室氣體排放.因此,在生命周期視角下,首先要考慮全能源鏈過程,即包括從燃料開采,原材料加工、制造、運輸,能源轉換(發電),到廢物處理和處置的全過程的(直接的)溫室氣體排放;其次也要考慮能源鏈系統及相關基礎設施在建設、運行和退役期間所消耗的能源和原材料(如鋼鐵、水泥等)在其開采、加工制造過程產生的(間接的)溫室氣體排放.

　　20世紀90年代以來,歐洲、美國、日本等國家對核電能源鏈(簡稱“核電鏈”)的生命周期溫室氣體排放開展了較為廣泛的研究.歐洲國家對核電鏈的溫室氣體排放評價結果范圍為6~12gCO2,eq/(kW·h)[1],其中最小值是對法國的估算,假設使用了10%的MOX燃料(混合氧化燃料)并且100%由Eurodif(法國核燃料濃縮工廠)的擴散廠生產;最大值是對德國的估算,假定使用了13%的MOX燃料和綜合的鈾濃縮服務,即10%來自USEC(美國鈾濃縮公司)的擴散廠(由燃煤提供的電力)和將近70%的濃縮服務假定由基于離心技術的URENCO(鈾濃縮公司)工廠提供(其能耗水平比USEC擴散廠低65倍).一些研究采用能源鏈分析法(PCA)計算了鈾礦開采、冶煉及礦區恢復,鈾轉化,鈾濃縮,燃料元件制造,運輸,核電廠建設、運行、維護及改造、退役等相關活動中的能耗和溫室氣體排放.例如,Torfs等[2]計算(比利時)核燃料循環上游由于直接的能源利用而產生的溫室氣體排放的范圍在4.7~13.6gCO2,eq/(kW·h).Voorspools等[3]計算(比利時)核電廠建設、運行和退役等階段的溫室氣體排放結果為1.8~4gCO2,eq/(kW·h).Tahara等[4]、Tokimatsu等[5]計算日本核電鏈的溫室氣體排放結果為1.8~20.9gCO2,eq/(kW·h).Ruether等[6]、Meier等[7]計算美國核電鏈溫室氣體排放結果為3~17gCO2,eq/(kW·h).還有一些研究基于整理公開發表的生命周期分析結果對世界上核電鏈的溫室氣體排放平均水平進行了評價.例如,VanDeVate[8]、Weisser[9]的評價結果分別為8.9、2.8~24gCO2,eq/(kW·h).從國際上研究結果來看,核電鏈的溫室氣體排放主要發生在核燃料循環的上游和下游.不同研究結果的差異主要是由于系統邊界設定的不同,采用的能源和材料的碳排放因子也有區別.

　　中國具有完整的核燃料循環體系,涵蓋了鈾勘探、鈾生產、鈾濃縮、燃料組件制造、核電廠建設和運營、廢物處理和處置的完整核能產業鏈.馬忠海、潘自強等[10]基于20世紀90年代中期我國已投運的國產堆型核電站(即秦山核電站)的數據統計和代表性的鈾礦開采和冶煉的典型數據,計算我國核電鏈的溫室氣體排放系數為13.7gCO2,eq/(kW·h).結果顯示:核電鏈各環節中,核電站運行期間的溫室氣體排放最小,僅占14.5%,主要是由為維持核電正常運行而引入的火電造成的(在計算涉及的火電時,核電運行期間的火電采用1996年供電煤耗410gce/(kW·h),其他設施均采用1985年的供電煤耗431gce/(kW·h));另一個重要來源是核電鏈相關設施建設過程中各類建材在其制造過程中的溫室氣體排放,主要為水泥、碳鋼、銅和不銹鋼(合金鋼)等,這些因素占核電鏈的48.5%.

　　進入21世紀以來,我國核電開發處于批量化、規�；�的快速發展階段,為適應核電發展需要,核燃料產能和技術水平也有整體提升.目前,二代和二代改進型壓水堆核電機組是我國掌握和成熟的主流核電技術,已經投入商運的核電機組各項運行指標處于世界中上等水平以上[11].天然鈾的生產技術最初以常規采冶工藝為主,現已廣泛采用地浸、堆浸技術.鈾濃縮已完成氣體擴散法向氣體離心法的過渡,相同產量產品的能耗大大降低.與此同時,我國電力(火電)和其他工業行業(鋼鐵、水泥等)整體上提高能效而能耗水平逐年降低.可見,近20年來我國核電鏈的溫室氣體排放情形已經發生了新的變化.因此,有必要采用第一手調查結果和一些新的參數,補充一些以往缺乏資料環節的數據,對我國核電鏈的生命周期溫室氣體排放做更全面的評價.

　　1研究方法與范圍

　　1.1計算邊界

　　核電鏈的生命周期計算邊界見圖1.核電鏈系統及相關基礎設施在建設、生產運行和退役期間涉及到大量的建筑材料、原材料、能源(電力、燃料)消耗,按照“統計主要因素,忽略次要因素”的原則,只計算對溫室氣體排放貢獻較大的,對于歸一化消耗量很少或對總溫室氣體排放貢獻極小的(低于千分之一時),認為其可以忽略.

　　1.2核算范圍

　　本研究參考生命周期分析[12-13]和碳足跡評價[14-18]有關標準,經研究分析后確定了對核電鏈的生命周期溫室氣體排放的核算范圍:(1)原材料變化過程中產生的(包括所有能源消耗導致的)排放、原材料開采和提煉過程中以及產生的廢棄物導致的排放.(2)能源的供應(包括電力和熱力的生產)和使用過程(如煤燃燒)中產生的排放、上游排放(燃料開采、加工以及運輸至發電廠)、下游排放(如放射性廢物處理和處置過程).(3)制造以及提供服務過程中的排放(如核電主要設備和部件的加工制造).(4)保障運行的設施的排放(如核電廠用于保障核安全和廠區工作生活的外購電).(5)運輸過程的排放(包括原材料、燃料、產品及廢棄物).(6)不予核算的內容,包括人力使用導致的排放、消費者導致的排放(如居民用電)、人員(上下班)的運輸過程導致的排放等.

　　2計算結果

　　2.1鈾礦采冶

　　我國鈾礦采冶包括常規采冶、原地浸出、地表堆浸、原地爆破浸出等工藝.8家鈾礦冶單位的主要材料和耗電量的統計數據見表2[20],基于平均值(即所調查鈾礦冶單位的材料和能源消耗總量除以調查單位個數)計算.鈾礦山的壽期按30a設定.鈾礦采冶(包括鈾純化)的溫室氣體排放量為2.33gCO2,eq/(kW·h),見表3.

　　2.2鈾轉化和鈾濃縮

　　鈾轉化是從精制UO2轉化到UF4和UF6的生產.我國在甘肅礦區的鈾轉化生產廠采用干法工藝,已初步實現了規�；�生產和供應.鈾濃縮是從天然鈾生產濃縮鈾,主要工藝流程包括鈾氟化、同位素分離和還原三個部分.氣體擴散技術是第一代工業鈾濃縮技術,能耗很大(約2400kW·h/kgSWU);我國鈾濃縮已實現由氣體擴散法向氣體離心法的過渡.氣體離心技術的能耗則低得多(約50kW·h/kgSWU).鈾轉化和鈾濃縮設施建設過程中主要材料的消耗量[10]:水泥為7.26×10-1g/(kW·h),碳鋼為1.17×10-1g/(kW·h),不銹鋼為9.08×10-4g/(kW·h),銅為3.09×10-2g/(kW·h),鋁為2.39×10-4g/(kW·h).按鈾濃縮生產能力500tSWU/a計算.鈾轉化和鈾濃縮的溫室氣體排放量為1.15gCO2,eq/(kW·h),見表4.

　　我國鈾濃縮的擴散工藝已完成退役(簡稱“擴散退役工程”).擴散退役工程包括主工藝設施、化工設施和輔助工藝設施,共有16個放射性廠房和10個非放射性廠房,主要材料是水泥和金屬(其中鋼材占到金屬用量的90%以上),擴散退役工程的溫室氣體排放量為7.9×10-2gCO2,eq/(kW·h),見表5.需要說明,計算缺少能源消耗的統計.

　　2.4核電站

　　目前我國主流核電技術是二代和二代改進型的百萬千瓦級壓水堆核電機組.選取中國大陸第一座百萬千瓦級大型商用核電站作為研究對象——以大亞灣核電站為例.核電站建設施工階段消耗的主要材料見表6.反應堆壓力容器、蒸汽發生器、堆內構件等主要設備鍛件在其生產加工過程中的耗電量統計見表7.核電站運行期間仍需有部分外購電作為補充,主要用于(在機組主變檢修或外部主電源失去情況下)保障提供廠用電和反應堆安全停堆用電,以及向核電站廠區辦公和生活設施供電.外購電情況見表8,扣除向其他核電工程施工提供的用電量,大亞灣核電站年均外購電約為1.39×107kW·h.核電站生產運行期間的能耗、負荷因子和發電量統計見表9.

　　核電站的壽期設定為60年[19](目前我國已建核電站的設計壽命均為40年,在建核電站有設計壽命40年和60年兩種,其中采用EPR和AP1000三代技術的核電站設計壽命均為60年),這是因為:世界上很多國家已經以法律的形式批準了一批核電機組延壽,例如美國已有50座左右的核電機組完成了將壽命延長到60年的運行執照更新,韓國通過修訂定期安全評審(PSR)的法規將核電站壽命由60年提高至80年.IAEA對此持肯定態度并正在開展旨在延長全球在役核電機組壽命項目(將壽命從40年延長到60年).所以從技術層面,核電站的壽期可以達到60年.

　　2.5乏燃料后處理

　　對反應堆乏燃料后處理是回收乏燃料中未燃盡的235U和新生的239Pu等易裂變材料,將鈾、钚與裂片元素和其他次要錒系元素分離,鈾、钚返回反應堆循環利用,而廢物做進一步的處理和處置.目前世界上普遍采用的后處理技術是水法Purex流程.我國動力堆核燃料循環采取后處理的技術路線,目前核電乏燃料后處理中間試驗廠(簡稱“中試廠”)已建成并完成熱試,但中試廠不同于工業規模商用核電乏燃料后處理廠,其不僅處理能力小,開工率無要求,而且還需兼容新工藝新技術的研發試驗.我國商用的大型乏燃料后處理廠處于立項和籌建階段,目前難以估計其建設施工的材料和能源消耗量.國際上,Rotty等[21]報道了1000MW輕水堆(LWR)乏燃料后處理的能耗水平:(電)能耗為30GW·he/a,(熱)能耗為150GW·hth/a,合計約為80GW·he/a.可以認為,我國未來建設的乏燃料后處理廠的能耗水平也在此范圍內,據此估算乏燃料后處理設施運行期間的溫室氣體排放量約為5.29gCO2,eq/(kW·h).

　　2.6廢物處置

　　我國已在西北和廣東建成了兩座低、中放固體廢物處置場,對于高放固體廢物采取深地質處置方案,預計在21世紀中葉建成一座國家深地質處置庫,目前尚難以估計其建設施工和運行期間的材料和能源消耗量.參考英國核工業放射性廢物處置公司(NIREX)給出的對高放廢物(HLW)、中放/低放廢物(ILW/LLW)處置中的基建能耗和電力消耗數據[21],見表11.假定核電站反應堆卸下的乏燃料最終全部作為高放廢物處置,并且沒有考慮乏燃料臨時貯存期間(簡稱“臨時貯存”)運行和維護的能耗,則保守估計廢物處置的溫室氣體排放量為4.33×10-1gCO2,eq/(kW·h).需要說明,世界上還沒有建成的高放廢物處置庫,放射性廢物處置的能耗數據和溫室氣體排放量都是較粗略的估計值.——論文作者：姜子英1*,潘自強2,邢江3,於凡

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