中国环境科学 2015,35(11):3502~3510 China Environmental Science 中国核电能源链的生命周期温室气体排放研究 姜子英 1*, 潘自强 2, 邢江 3 1, 於凡 (1. 中国原子能科学研究院, 北京 102413;2. 中国核工业集团公司, 北京 100082;3. 中环联合 ( 北京 ) 认证中心有限公司, 北京 100029) 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 6.2gCO 2,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 11.9gCO 2,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 ; 温室气体排放中图分类号 :X51 文献标识码 :A 文章编号 :1000-6923(2015)11-3502-09 Greenhouse gas emissions from nuclear power chain life cycle in China. JIANG Zi-ying 1*, PAN Zi-qiang 2, XING Jiang 3, YU Fan 1 (1.China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China;2.China National Nuclear Corporation, Beijing 100822, China;3.China Environmental United Certification Center Corporation, Beijing 100029, China). China Environmental Science, 2015,35(11):3502~3510 Abstract:Based on PCA (process chain analysis) and LCA (life cycle analysis) methods, first-hand survey data and some new parameters were used to calculate greenhouse gas (GHG) emissions from nuclear power chain life cycle in China. The results showed that the present actual GHG emissions from front-end of nuclear fuel cycle and nuclear power plant is 6.2gCO 2,eq /(kw h), and the total of nuclear life cycle (also including fuel reprocessing and radioactive waste disposal) is 11.9gCO 2,eq /(kw h). Nuclear power is low-carbon energy and has obvious potential of GHG emissions reduction that is about 1kgCO 2,eq reduction per 1kW h electricity generation if nuclear power replacing some coal power. By upgrading nuclear industry technologies, encouraging materials reuse/recycle and sustainable energy saving, the GHG emissions from nuclear power chain would be further reduced. Key words:nuclear power;fuel cycle;life cycle analysis;greenhouse gas emissions 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~ 12gCO 2,eq /(kw h) [1], 其中最小值是对法国的估算, 收稿日期 :2015-04-07 基金项目 : 中国工程院咨询项目 不同发电能源的温室气体排放关键问题研究 * 责任作者, 副研究员, jziying@163.com
11 期姜子英等 : 中国核电能源链的生命周期温室气体排放研究 3503 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 [2] 耗和温室气体排放. 例如,Torfs 等计算 ( 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 4.7~13.6gCO 2,eq /(kw h). [3] Voorspools 等计算 ( 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~ 4gCO 2,eq /(kw h).tahara 等 [4] [5] Tokimatsu 等计算日本核电链的温室气体排放结果为 1.8~ 20.9gCO 2,eq /(kw h).ruether 等 [6] [7] Meier 等计算美国核电链温室气体排放结果为 3~17gCO 2,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,Van De Vate [8] Weisser [9] 的评价结果分别为 8.9 2.8~24gCO 2,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. [10] 马忠海 潘自强等基于 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 13.7gCO 2,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 [1213] 本研究参考生命周期分析和碳足迹评 [1418] 价有关标准, 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
3504 中国环境科学 35 卷 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. 核燃料循环后段 铀矿采冶铀转化铀浓缩燃料元件制造 核电站 乏燃料后处理 放射性废物处置 输入原材料 能源输出电力 CO 2 设备 / 部件加工制造 工程建设 建设阶段 水泥钢铁铜铝煤燃料电力 运行阶段 燃料化学试剂电力 相关运输过程 退役阶段部件拆解非放射性组件再循环再利用去污放射性组件废物处理 图 1 核电链的生命周期计算边界 Fig.1 System boundary of nuclear power chain life cycle 1.3 计算公式核电链的生命周期温室气体排放量计算公式如下 : m q j TE = (AD EF ) + DE p e i n p i= 1 式中 :TE 代表温室气体排放总量 ;AD p 代表第 q 阶段中第 p 类能源活动水平 ;EF e 代表相应能源排放因子 ;DE i 代表第 i 阶段中第 j 类 ( 材料 / 部件等 ) 引起的排放. 计算结果归一化到单位发电量, 即生产单位 kw h 电量排放的温室气体, 单位为 gco 2,eq /(kw h). 1.4 碳排放因子在温室气体排放计算时选取适当的碳排放因子至为重要, 本文采用中国工程院 不同发电能源的温室气体排放关键问题研究 项目经调查研究后确定的各种燃料 材料的排放因子, 见表 1 所示 [19]. 温室气体类别主要涉及 CO 2 CH 4 和 N 2 O, 按照其 100 年时间周期的全球增暖潜势 (GWP) 分别为 1 25 和 298 转化为二氧化碳当量 (CO 2,eq ) 进行表示. [19] 表 1 燃料和材料的碳排放因子 Table 1 GHG emission factors of materials and fuels [19] 燃料排放因子 (gco 2,eq /g) 材料 排放因子 (gco 2,eq /g) 原煤 1.96 钢铁 2.2 原油 3.37 不锈钢 / 合金钢 4.6 精制天然气 2.63 水泥 0.64 柴油 4.32 铜 3.5 汽油 3.95 铝 22 燃料油 3.88 石灰 0.785 电力 930[gCO 2,eq /(kw h)] 硝酸 1.4 注 : 燃料的生命周期碳排放因子包括其 ( 燃料本身的 ) 直接排放和 上游排放 ( 涉及各环节利用其他终端能源导致的间接排放 ). 钢 铁 不锈钢 水泥等材料的生命周期碳排放因子包括其生产 过程中的排放和原材料开采阶段等上游过程的排放 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
11 期姜子英等 : 中国核电能源链的生命周期温室气体排放研究 3505 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 2.33gCO 2,eq /(kw h), 见表 3. 表 2 8 家铀矿冶单位主要材料和耗电量统计 Table 2 Materials and electricity consumption of uranium mining and milling from 8enterprises in China 矿冶单位 阶段 钢材 (t/tu) 不锈钢 (t/tu) 水泥 (t/tu) 电耗 (kw h/t 矿 ) 矿山基建 35 120 A 矿山生产 0.25~0.62 0.86~2.58 4.72 水冶生产 0.36 0.04 1.79 万 (kw h/tu) B 水冶基建 4.66 0.46 12.4(kW h/tu) 采矿生产 (a) 1.25 4.3 C 采矿生产 (b) 1.37 7.9 73.5 水冶生产 1.07 0.1 4.65 万 (kw h/tu) D 矿山基建 5.0 0.5 30 矿山基建 25.2 46.48 E 采冶生产 1.29 0.13 1.16 万 (kw h/tu) 采冶生产 0.1 0.01 1.8 8.15 万 (kw h/tu) F 矿山生产 0.14 2.44 14.78 G 水冶生产 0.27~0.36 3.3~4.1 H 采冶生产 0.26 0.03 1.03 万 (kw h/tu) 表 3 铀矿采冶的材料和能源消耗与温室气体排放量 [g/(kw h)] Table 3 Materials and energy consumption and GHG emission from uranium mining and milling[g/(kw h)] 设施水泥碳钢不锈钢铜煤石灰电耗 [(kw h)/(kw h)] GHG 排放 [gco 2,eq /(kw h)] 铀矿山 2.55 10 2 8.86 10 3 4.22 10 4 7.80 10 4 水冶厂 1.52 10 3 1.09 10 3 1.08 10 4 2.28 10 1 2.53 10 3 铀纯化 8.43 10 4 2.53 10 6 3.80 10 7 1.97 10 合计 2.70 10 2 1.08 10 2 5.33 10 4 7.80 10 4 2.28 10 1 2.53 10 3 1.97 10 3 2.33 3 2.33 2.2 铀转化和铀浓缩铀转化是从精制 UO 2 转化到 UF 4 和 UF 6 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/kg SWU); 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/kg SWU). 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 1 g/(kw h), 碳钢为 1.17 10 1 g/(kw h), 不锈钢为 9.08 10 4 g/(kw h), 铜为 3.09 10 2 g/ (kw h), 铝为 2.39 10 4 g/(kw h). 按铀浓缩生产能 力 500t SWU/a 计算. 铀转化和铀浓缩的温室气体排放量为 1.15gCO 2,eq /(kw h), 见表 4. 表 4 铀转化和浓缩的材料和能源消耗与温室气体排放量 Table 4 Materials and energy consumption and GHG emission from uranium conversion and enrichment 项目 材料 数值 水泥 7.26 10 1 碳钢 1.17 10 1 材料消耗 [g/(kw h)] 不锈钢 9.08 10 4 铜 3.09 10 2 铝 2.39 10 4 能源消耗 [(kw h)/(kw h)] 3.38 10 4 GHG 排放 [gco 2,eq /(kw h)] 1.15
3506 中国环境科学 35 卷 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 2 gco 2,eq / (kw h), 见表 5. 需要说明, 计算缺少能源消耗的统计. 表 5 扩散退役工程的材料量与温室气体排放量 Table 5 Materials and GHG emission from decommissioning of gaseous diffusion facilities 项目 材料 数值 水泥 3.79 10 2 碳钢 1.69 10 2 材料消耗 [g/(kw h)] 不锈钢 1.01 10 4 铜 3.41 10 4 铝 7.23 10 4 能源消耗 [(kw h)/(kw h)] - GHG 排放 [gco 2,eq /(kw h)] 7.90 10 2 注 : - 缺少数据 2.3 燃料元件制造压水堆燃料元件生产的铀原料为低浓缩度 ( 235 U) 的 UF 6, 经化工冶金工艺得到 UO 2 粉末, 再经压制 烧结和磨削得到 UO 2 陶瓷芯块, 装入锆管得到燃料棒, 经组装得到燃料组件. 我国压水堆核燃料元件制造厂的 UO 2 粉末制备有湿法 (ADU) 和干法 (IDR) 两种工艺. 元件制造过程中主要材料的消耗量 [10] : 碳钢为 2.63 10 3 g/(kw h), 锆为 1.70 10 3 g/(kw h). 燃料元件制造过程中的能耗参考国际上 ETH 数据库 (ETH Research Database) 给出的直接耗能值 80MJ th /kgu( 热能 ) 和 80MJ e /kgu( 电能 ) [19]. 燃料元件制造的温室气体排放量为 2.18 10 1 gco 2,eq /(kw h), 其中由于材料引起的排放为 7.87 10 3 gco 2,eq /(kw h) 能源消耗引起的排放为 2.10 10 1 gco 2,eq /(kw h). 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 10 7 kw 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. 表 6 大亚湾核电站建设期间主要材料量 Table 6 Materials used in construction of Daya bay nuclear power plant 材料 数量 混凝土 ( 万 m 3 ) 72 水泥 ( 万 t) 21 各类碳钢 (t) 99005 各类不锈钢 / 合金钢 (t) 2145 铜 (t) 300 铅 (t) 100 表 7 核电机组主要设备锻件生产加工的耗电量 Table 7 Electricity consumption of equipment and forgings manufacturing for nuclear power unit 名称 耗电量 ( 万 kw h) 冶炼锻造性能热处理机加工 合计 堆压力容器 112.5 27.7 34.2 108.5 282.8 蒸汽发生器 121.8 33.6 39.5 132.1 326.9 堆内构件 32.3 5.4 8.3 27.0 73.0 注 : 基于 CPR1000 机组设备锻件数据 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
11 期姜子英等 : 中国核电能源链的生命周期温室气体排放研究 3507 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. 表 8 大亚湾核电站的外购电情况 Table 8 purchase of electricity of Daya bay NPP 年份 计费电量 ( 万 kw h) 1994 1052 1995 1173 1997 1930 1998 2455 1) 2000 2675 1) 2006 3063 1) 2007 3186 2) 2008 4073 2) 2009 5796 2) 注 : 1) 含岭澳核电站施工用电 ;2) 含岭澳核电站二期施工用电 表 9 大亚湾核电站生产运行期间的能耗 负荷因子和 发电量 Table 9 Energy consumption, load factor and power generation of Daya bay NPP during operation 指标 年份 1994~1998 1999~2004 2005~2009 1994~2009 ( 平均值 ) 电量 ( 亿 发电量 120.67 145.76 157.72 140.72 kw h) 上网电量 114.67 139.50 151.14 134.46 发电标准煤耗率 364.61 362.26 360.02 362.42 能耗供电标准 [g/(kw h)] 煤耗率 383.73 378.39 375.69 379.27 发电厂用电率 (%) 4.97 4.07 3.93 4.32 1 号机组 69.51 86.27 92.15 82.91 负荷因子 2 号机组 75.90 82.67 90.72 82.86 (%) 全厂 72.70 84.48 91.44 82.89 大亚湾核电站的温室气体排放量为 2.41gCO 2,eq /(kw h), 见表 10. 其中, 核电厂建设阶段材料消耗引起的排放为 4.51 10 1 gco 2,eq / (kw h), 约占总的 19%; 最大的是碳钢占 11% 其次是水泥占 7% 不锈钢/ 合金钢占 0.5%. 核电站生产运行期间由于外购电 ( 电源是燃煤发电 ) 引起的排放为 1.96gCO 2,eq /(kw h), 约占总的 81%; 主要设备和部件生产加工过程的排放为 7.87 10 3 gco 2,eq /(kw h), 仅占总的 0.3%. 表 10 核电站建设和生产运行期间的温室气体排放量 Table 10 GHG emission from Daya bay NPP during construction and operation 类别 消耗量 [g/(kw h)] GHG 排放 [gco 2,eq /(kw h)] 水泥 0.26 1.66 10 1 碳钢 1.23 10 1 2.71 10 1 不锈钢 / 合金钢 2.66 10 3 1.22 10 2 铜 3.72 10 4 1.30 10 3 小计 设备锻件加工 [(kw h)/(kw h)] 4.51 10 1 8.47 10 6 7.88 10 3 外购电 [(kw h)/(kw h)] 2.11 10 3 1.95 小计 1.96 合计 2.41 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 235 U 和新生的 239 Pu 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 [21] 施工的材料和能源消耗量. 国际上,Rotty 等报 道了 1000MW 轻水堆 (LWR) 乏燃料后处理的能耗水平 :( 电 ) 能耗为 30GW h e /a,( 热 ) 能耗为 150GW h th /a, 合计约为 80GW h e /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 5.29gCO 2,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
3508 中国环境科学 35 卷 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 1 gco 2,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. [21] 表 11 放射性废物处置的能耗需求 Table 11 Energy requirement of ILW/LLW and HLW waste management [21] 类别 基建能耗 (MW h th /t) 电耗 (MW h e /t) 合计 (MW h e /t) 高放废物 (HLW) 119 329 369 中低放废物 (ILW/LLW) 1 24 24.7 2.7 运输核电链系统相关的运输过程主要有 : 铀矿冶系统的铀矿石和铀矿石加工的浓缩物 ( 重铀酸铵 三碳酸铀酰铵和 U 3 O 8 ), 铀精制转化阶段的铀化合物 (UO 2 UF 4 和 UF 6 ) 的转运, 以及核反应使用的燃料元件 卸下的乏燃料的运输等. 核电链系统相关设施建设阶段还有各种原材料 设备和部件等的运输. 总的来看, 由于核燃料的能源强度高 ( 一座百万千瓦级压水堆核电机组, 每年仅耗用约 25t 核燃料 ), 相关运输过程对核电链的温室气体排放的整体贡献是相当小的 ( 低于千分之一 ), 予以忽略. 2.8 核电链的总的温室气体排放量现阶段我国核电链 ( 核燃料循环前段 核电站 ) 的实际温室气体排放量为 6.2gCO 2,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 11.9gCO 2,eq /(kw h), 见表 12. 其中, 核电站占 20% 其他核燃料循环设施占 80%( 核燃料循环前段占 32% 核燃料循环后段占 48%). 从温室气体的来源看, 由材料引起的排放占 16%, 由能源消耗引起的排放占 84%. 材 料引起的排放中, 水泥占 36% 碳钢占 31% ( 工艺用 ) 煤占 24% 铜占 6% 不锈钢占 1.5% 铝占 1.1%. 能源消耗主要是电耗, 而我国发电能源主要是煤电, 因此, 从根本上说, 我国核电链的温室气体排放的大部分仍然归结于燃煤. 表 12 核电链的生命周期温室气体排放量 [gco 2,eq /(kw h)] Table 12 GHG emission of nuclear power chain life cycle in China[gCO 2,eq /(kw h)] 设施 材料 能源 合计 铀矿采冶 4.95 10 1 1.83 2.33 铀转化和铀浓缩 8.40 10 1 3.14 10 1 1.15 扩散退役工程 7.90 10 2-7.90 10 2 燃料元件制造 7.87 10 3 2.10 10 1 2.18 10 1 核电站 4.51 10 1 1.96 2.41 小计 1.87 4.32 6.19 后处理 - 5.29 5.29 废物处置 - 4.33 10 1 4.33 10 1 总计 1.87 1.00 10 1 1.19 10 1 注 : - 缺少数据 3 分析与讨论 3.1 结果分析核电链的温室气体排放计算结果受调查数据的全面性 完整性以及生命周期边界追溯范围等因素影响. 与国际上应用同类方法的研究结果相比, 核燃料循环前段的温室气体排放范围在 4.7~13.6gCO 2,eq /(kw h), 核电链的总的温室气体排放范围在 9~30gCO 2,eq /(kw h), 我国的结果也在这一范围内. 现阶段我国核电链的温室气体排放量 11.9gCO 2,eq /(kw h) 比 20 世纪 90 年代中期评价结果 13.7gCO 2,eq /(kw h) 有所降低, 主要是因为技术进步促进了节能降耗. 一方面, 我国核电链系统有了整体的技术进步 : 如地浸 堆浸工艺技术在铀矿冶领域的应用, 比常规搅拌浸出工艺提高了生产效率和降低了能耗 ; 气体离心法代替气体扩散法的铀浓缩技术, 使相同产量的工厂规模更小而能耗降低很多 ( 离心法的能耗约为扩散法的 2%). 另一方面, 火电和其他相关工业 ( 钢铁 水泥 ) 行业提高能效 能耗水平逐年降低, 例如供电标准煤耗从 1995 年的 412gce/(kW h) 下降到 2010
11 期姜子英等 : 中国核电能源链的生命周期温室气体排放研究 3509 年的 333gce/(kW h), 吨钢综合能耗从 1996 年的 1392kgce/t 下降到 2010 年 730kgce/t. 然而, 目前我国水泥 钢铁 ( 不锈钢 ) 等相关行业整体能耗水平与国际先进水平相比仍有一定的差距, 如果水泥 钢铁 ( 不锈钢 ) 等行业的整体能耗水平能够再降低 10%, 则核电链的温室气体排放还能够降低 1.6gCO 2,eq /(kw h). 3.2 讨论核设施退役是生命周期的最后一个阶段, 很多被放射性活化的部件需要进行去污处理, 核设施通常还有几十年不等的 安全封闭期 ( 以使短寿命放射性核素衰变, 降低其放射性活度 ). 乏燃料临时贮存 核设施 安全封闭 和退役活动中都有能源和材料的消耗, 因而也会产生温室气体排放. 目前国内外研究中都缺乏上述过程的能量消耗数据, 一些研究 估计核电站退役的能源消耗是建造核电站的 30%~50%, 但这取决于具体的退役方案和安全封闭期的长短, 有很大的不确定性, 因而这样的估计可能不具有代表性 [3], 而且还涉及到废物管理和废物处置政策等因素. 针对这些问题, 有必要进一步开展详细研究. 核电链的生命周期各个阶段都有材料再循环再利用的机会, 例如核设施退役产生的被轻微放射性污染的金属废料可用于制作废物容器 污染设备的零散部件经去污后可以在核工业中有限制的再利用等. 对可回收的有价值材料的再循环再利用, 能够减少废物产生量和节约能源 减少温室气体排放. 有必要开展核设施废物流中材料再循环再利用与减少温室气体排放的进一步研究. 2014 年 11 月, 中美两国共同发布了 中美气候变化联合声明, 我国明确了到 2030 年左右二氧化碳排放达到峰值且将努力早日实现, 并计划到 2030 年非化石能源占一次能源消费比重提高到 20% 左右. 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 1kWh 电力生产能够减排大约 1kg 二氧化碳 ( 煤电链的生命周期温室气体排放量为 1072.4gCO 2,eq /(kw h) [19] ), 减排温室气体的潜力很大. 核电是未来我国低碳能源发展中的重要组成部分. 4 结论 4.1 在生命周期视角下, 我国核电链 ( 铀矿采冶 铀转化和铀浓缩 燃料元件制造 核电站 ) 的实际温室气体排放量为 6.2gCO 2,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 11.9gCO 2,eq /(kw h). 其中, 由材料引起的排放占 16%, 能源消耗引起的排放占 84%. 对温室气体排放贡献较大的材料主要是水泥 钢材 ( 各类碳钢 不锈钢 / 合金钢 ) 铜 铝等, 还有石灰和少量硝酸等多类化学试剂贡献很小. 能源消耗主要是电力 ( 少量的 ) 燃料, 而我国发电能源主要是煤电, 因此, 从根本上说, 我国核电链的温室气体排放的大部分仍然归结于燃煤. 4.2 当前我国核电链的温室气体排放量比 20 世纪 90 年代中期有所降低, 主要原因是近 20 年间核电链系统整体技术进步促进了节能降耗和电力 钢铁 水泥等相关行业能耗逐年降低. 鼓励可回收的材料再循环再利用, 提高资源利用效率, 加快核电产业链的技术升级, 以及相关工业部门进一步节能降耗, 核电链的温室气体排放仍有降低的空间. 参考文献 : [1] Dones R, Heck T, Hirschberg S. Greenhouse gas emissions from energy systems comparison and overview [R]. PSI Annual Report 2003 Annex IV, Switzerland, 2003. [2] Jef Beerten, Erik Laes, Gaston Meskens, et al. Greenhouse gas emissions in the nuclear life cycle: A balanced appraisal [J]. Energy Policy, 2009,37(12):5056-5068. [3] Voorspools K R., Brouwers E A, D haeseleer W D. Energy content and indirect greenhouse gas emissions in emission-free power plants: results for the Low Countries [J]. Applied Energy, 2000,67:307 330. [4] Tahara, Kojma K T, Inaba A. Evaluation of CO 2 payback time of power plants by LCA [J]. Energy Conversion and Management, 1997,38:615 620. [5] Tokimatsu K, Hondo H, Ogawa Y, et al. Energy analysis and carbon dioxide emission of tokomak fusion power reactors [J]. Fusion Engineering and Design, 2000,48:483-493. [6] Ruether John Al, Ramezan Massood, Balash Peter C. Greenhouse gas emissions from coal gasification power generation systems [J]. Journal of Infrastructure Systems, 2004,10(3):111-119.
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