嚴密，王同濤，李嫣

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典型核電國家溫室氣體排放現(xiàn)狀

嚴密1，2，王同濤1，李嫣1

（1中國科學(xué)技術(shù)交流中心，北京100045；2浙江工業(yè)大學(xué)能源與動力工程研究所，浙江杭州310014）

通過分析全球能源消費數(shù)據(jù)和核電數(shù)據(jù)，得到了核電發(fā)展最快、核電反應(yīng)堆關(guān)閉最快、核電裝機量最大和核電占比最大等特征的典型核電國家。對這些國家的能源結(jié)構(gòu)、電力組成、CO2排放和核電減排作用進行了深入研究。通過研究得到：電力是各國CO2排放的主要源頭，但單位發(fā)電量的CO2放電量均呈逐年下降趨勢，這和各國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整存在密切關(guān)系；美國是人均CO2排放第一大國，但韓國人均CO2排放量增速最快；基于煤電CO2排放因子，2011年全球核電CO2年減排量約占全球年總排放量8.3%，而中國核電CO2年減排量占國內(nèi)總排放量的1.1%。

核電；二氧化碳；氣候變化；減排

溫室氣體（GHG）排放引起的氣候變化問題日益受到全球關(guān)注。溫室氣體主要指CO2、CH4和N2O等。工業(yè)化前，大氣CO2濃度穩(wěn)定在280mL/L，進入工業(yè)化后迅速增加到394mL/L（2012年），增長了約40%[1]。由于GHG排放導(dǎo)致的氣候變化將對地球生態(tài)系統(tǒng)和人類社會造成一系列重大影響，包括糧食安全、淡水資源和疾病蔓延等[2]。需通過多種手段減少GHG排放，減少危害。

《聯(lián)合國氣候變化框架公約》（UNFCCC）提供了國際減少GHG排放的行動公約。根據(jù)UNFCCC，全球GHG主要來源于能源消耗（>80%），并且超過90%是CO2氣體。控制能源利用過程CO2排放的途徑多樣，包括能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、能效提升和捕集利用等[3-4]。核電作為低碳能源，成為了我國實現(xiàn)節(jié)能減排國際承諾的必然選擇。2014年APEC期間，中美元首會晤就碳減排達成一致：美國將以2005年為基準，在2025年實現(xiàn)26%～28%的碳減排，中國承諾在2030年之后碳排放不再增加；同時中國在2030年之前可再生能源將占到全部能源生產(chǎn)的20%。因此中國必須進行能源供給和消費革命，核電作為低碳能源，發(fā)展核電是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的重要手段。根據(jù)《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2005—2020年）》，到2020年我國在運行核電裝機容量4000萬千瓦，在建核電裝機容量1800萬千瓦，核電占全部電力裝機量將提高到4.0%[5]。但日本福島事件及德國宣稱將逐漸關(guān)閉核電站等國際外部環(huán)境的變化對我國核電發(fā)展產(chǎn)生了顯著沖擊，政府和民眾也產(chǎn)生了更多的困惑[6]。

為此本文致力于理清國際核電發(fā)展趨勢，深入挖掘典型核電國家的能源結(jié)構(gòu)和核電發(fā)展特征，較全面研究核電發(fā)展對各國碳減排的作用。

1 全球核電發(fā)展和現(xiàn)狀

1.1 全球能源消費變化

圖1顯示了全球能源消費發(fā)展和主要能源結(jié)構(gòu)變化[7]。全球能源消費總量逐年增長，尤其是2000年后出現(xiàn)了顯著增速（2.69%）。2012年，全球能源消費量達到了172.2億噸標煤，主要能源依次是原油、煤炭、天然氣、核電及其他。煤炭呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢，天然氣和原油消費量穩(wěn)步增長，而核電在快速發(fā)展后2010年出現(xiàn)拐點，年消費量從8.95億噸標煤降低到8.01億噸標煤。

截至2013年12月，全球商業(yè)化投用核電反應(yīng)堆434臺，總裝機容量37.12萬兆瓦[8]。其中核電反應(yīng)堆最多的5個國家分別是美國（100個）、法國（58個）、日本（48個）、俄羅斯（33個）和韓國（23個），中國排在第7位。圖2顯示了21世紀全球核電反應(yīng)堆的變化情況。核電反應(yīng)堆數(shù)量總體保持穩(wěn)定，2001年達到438家，大部分是在20世紀70年代因石油漲價引發(fā)的能源危機而快速建設(shè)[9]。核電裝機量從2001年的35.3萬兆瓦增加到了2013年37.17萬兆瓦[8]。分析核電反應(yīng)堆在建數(shù)得到，2010年前增長顯著，如2009—2010年在建數(shù)增加了11個，但2010年后出現(xiàn)了滯漲；同樣核電新建數(shù)在2010年急劇下降，從2010年的新建16個降低到2011年的4個；我國是在建和新建核電站最多的國家。同時通過對2000年后各國核電數(shù)據(jù)分析得到了典型核電國家，如表1所示。

表1 典型核電國家（2000—2013年）

1.2 典型核電國家

典型核電國家是指具有核電發(fā)展最快、核電反應(yīng)堆關(guān)閉最快、核電裝機量最大和核電占比最大等特征的國家。從表1發(fā)現(xiàn)，具備2個特征的典型國家有法國和日本。法國是全球裝機量第2大，同時也是核電占比最大的國家；日本是核電裝機量第3大國，同時也是核電關(guān)閉第3快的國家。而中國是近年來核電發(fā)展最快的國家，也是能源消費量最大的國家。

1.3 核電技術(shù)發(fā)展

核電站開發(fā)與建設(shè)始于20世紀50年代，從實驗性和原型核電機組逐漸發(fā)展成壓水堆、沸水堆、重水堆等成熟核電機組；為解決切爾諾貝利核電站嚴重事故的負面影響，提高防范與緩解嚴重事故能力，歐美發(fā)展了以AP-1000、EPR為代表的核電壓水堆[9]。中國在內(nèi)的一些核電業(yè)主已經(jīng)選用或準備選用更安全、更經(jīng)濟的AP-1000、EPR等技術(shù)進行新的核電機組建設(shè)。根據(jù)IAEI2014年的Nuclear Technology Review報告，目前全球運行的核電廠采用的核電技術(shù)種類主要有6種，并且各技術(shù)占總反應(yīng)堆比例排序分別為壓水堆（62.9%）、沸水堆（18.7%）、加壓重水堆（11.1%）、輕水堆（3.5%）、氣冷堆（3.5%）和快堆（0.5%）。

世界各國依然重視先進核電技術(shù)的進一步研發(fā)，多國聯(lián)合組建“第四代國際核能論壇”（GIF），約定共同合作研究開發(fā)第四代核能系統(tǒng)（Gen Ⅳ），中國也積極參與這方面的工作，2008年10月啟動了華能石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程；為進一步突破核裂變的資源制約，包括中國在內(nèi)的7國2006年正式啟動了國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER）[10]，這是規(guī)模僅次于國際空間站的一項重大的多邊大科學(xué)國際合作計劃，國家科技部專門成立了ITER中心，以協(xié)調(diào)和支持計劃的開展。

2 典型核電國家能源結(jié)構(gòu)

2.1 典型核電國家能源及電力來源結(jié)構(gòu)

需進一步了解各典型核電國家的能源結(jié)構(gòu)和發(fā)電結(jié)構(gòu)，才能更深入分析核電發(fā)展規(guī)律以及其必然性。圖3顯示了典型核電國家的能源結(jié)構(gòu)，瑞典以核電為第一能源；日本、德國、美國和韓國的最大能源是石油；英國和斯洛伐克則以天然氣為第一能源；印度和中國兩個最大的發(fā)展中國家以煤炭為第一能源。煤電相對其他電力類型不僅常規(guī)污染更嚴重，二氧化碳排放因子也最大，見表2。

表2 多種發(fā)電方式全生命周期CO2平均排放因子[11]

電力是重要的能源消費方式，較大比例的一次能源用于電力生產(chǎn)。圖4為典型核電國家的電力來源結(jié)構(gòu)分布[12]。由圖4可知以核電為第一電力來源的國家是法國（79.4%）和斯洛伐克（53.2%）；瑞典以水電（44.2%）為第一電力供應(yīng)來源，核電（40.2%）其次；英國和日本的天然氣發(fā)電為第一電力供應(yīng)源；中國、德國、美國和韓國則以燃煤發(fā)電為最主要的電力來源；也可發(fā)現(xiàn)各國在燃油發(fā)電和其他可再生能源發(fā)電的比例都很小。同時作為核電關(guān)閉最快的3個國家，日本、德國和英國相對于中國不僅具有更高的核電比例，同時天然氣和可再生能源發(fā)電比例也遠高于中國；典型核電國家中，中國的煤電比例最大。中國天然氣氣源供應(yīng)不足，原油依賴進口的情況下，發(fā)展核電和可再生能源是調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的必然選擇。

2.2 中國核電應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展

目前我國發(fā)電主要依靠燃煤火電，核能發(fā)電量還很低。根據(jù)國家統(tǒng)計局國家數(shù)據(jù)網(wǎng)報道，我國2012年總發(fā)電量為49875.5億千瓦時，其中火電和核電發(fā)電量分別為38928.1億千瓦時和973.9億千瓦時，即占總發(fā)電量的78.1%和1.95%[13]。但我國核電發(fā)展迅速，圖5顯示了我國核電發(fā)展情況。尤其是2002年和2003年快速增長，2003年相對2002年增加了72.5%，隨后進入了平穩(wěn)期，2010年后又得到了快速發(fā)展。核電的發(fā)展也受到多種因素的影響，2002年和2003年電力增長是由于我國工業(yè)生產(chǎn)用電需求快速增加，而前期電力建設(shè)滯后，造成的刺激性增長；2010年后，我國核電發(fā)展受到的影響因素更多，除工業(yè)增長因素外，和我國應(yīng)對氣候變化和作為負責任的大國政治需求有關(guān)，同時也受國際環(huán)境影響。截至2013年年底，我國實際已投運的核電堆20個，發(fā)電裝機容量為1597.7萬千瓦。我國一直重視核電發(fā)展過程中的安全，目前被認為最先進、安全的AP1000（浙江三門）和EPR技術(shù)（如廣東臺山）都已經(jīng)引進，并開展實際應(yīng)用。

3 核電對溫室氣體減排作用

3.1 典型核電國家溫室氣體排放

能源消費及電力生產(chǎn)是CO2的主要排放源。根據(jù)IEA數(shù)據(jù)，2000年后CO2年排放量以2.7%速度增長，2011年全球CO2排放量達到了31.3Gt。排放總量前5的國家分別是中國、美國、印度、俄羅斯和日本[1]。電力和供熱行業(yè)排放量最大，占總排放量的42%。在電力和供熱行業(yè)，燃煤發(fā)電CO2排放量占比最大，達到了72%（2011年），高于1990年的占比（66%）。從表2可知，各個發(fā)電方式CO2的排放因子存在較大差異，最大的煤電達到了1001g/kWh，水電最低，核電為16g/kWh。所以有必要研究電力行業(yè)CO2排放情況，分析通過能源結(jié)構(gòu)調(diào)整對CO2減排的作用。

表3是典型核電國家能源過程CO2排放和電力生產(chǎn)排放情況。從表3可知，電力排放比例最大的國家是印度（51.6%），最小的是法國（13.7%）；同時低于全球平均水平（41.7%）的國家有法國、瑞典、斯洛伐克和英國。這和各國的能源結(jié)構(gòu)、電力結(jié)構(gòu)具有密切關(guān)系，將燃煤、燃氣和燃油歸為燃燒源電力，其他方式作為非燃燒源電力，進一步分析圖4可得到法國、瑞典、斯洛伐克是非燃燒源電力比例最高的國家。從表3還可發(fā)現(xiàn)，日本作為GDP總量全球第3的國家，CO2排放量遠低于中國和美國，甚至低于印度。

表3 典型核電國家CO2排放量和電力源排放情況 （2011年）[1]

圖6顯示了典型核電國家單位發(fā)電量產(chǎn)生的CO2水平。從圖6中可清晰的得到三個層次的排放國家：排放最低的第一個層次有瑞典、法國和斯洛伐克，這3個國家是非燃燒電力比例最高的國家，也是非化石能源比例最高的國家；其次是處于全球平均水平的日本、英國、德國、美國和韓國；排放量因子最大的第三層次有印度和中國，其以煤電為主要電力組成。從圖6中也可發(fā)現(xiàn)，斯洛伐克在1975年后CO2排放因子迅速下降，認為斯洛伐克電力CO2因子的下降主要與其煤電下降（減少了約38%）和核電開發(fā)有關(guān)[14]；而中國呈現(xiàn)穩(wěn)步下降的趨勢，主要由于火電技術(shù)的升級和低碳能源的開發(fā)，核電技術(shù)做出了普遍認可的貢獻。

圖7顯示了典型核電國家單位GDP二氧化碳排放水平。從圖7中得到，2011年單位GDP二氧化碳排放量最高的是中國（1.81kg/USD），最低的是瑞典（0.11kg/USD）；全球平均水平為0.6kg/USD，只有中國和印度（1.32kg/USD）高于全球平均水平。從圖7中也可發(fā)現(xiàn)各國在21世紀后單位GDP溫室氣體排放量都呈現(xiàn)了下降趨勢，尤其是中國、印度和斯洛伐克下降顯著。分析認為中國早于印度出現(xiàn)排放因子降低，是因為中國經(jīng)濟對外開放、產(chǎn)業(yè)調(diào)整和電力改革方面都先于印度開始；核能是斯洛伐克第二大能源，第一大電力來源，其第一臺核電站（11.0萬千瓦）于1972年并網(wǎng)發(fā)電，1980年又新增了2×44.0萬千瓦時核電機組，同時煤消耗量也下降了43%，這有效改善了國家的能源結(jié)構(gòu)[14]；而美國等發(fā)達國家主要通過高能耗、低附加值產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移、可再生能源和新能源的發(fā)展來實現(xiàn)。2014年6月，美國針對火電廠二氧化碳減排推出了“清潔電力計劃（Clean Power Plan）”，要求2030年之前將電廠的碳排放在2005年排放水平上削減至少30%[15]。

典型核電國家不僅在能源結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟規(guī)模，在人口上也存在巨大差異。典型核電國家囊括了中國、印度、美國這3個人口大國[16]。圖8顯示了典型核電國家人均CO2排放水平。2011年人均CO2排放因子最大國家是美國（16.94噸/人×年），最小的是印度（1.41噸/人×年），小于世界平均水平（4.5噸/ 人×年）的也只有印度；多國人均排放因子普遍呈現(xiàn)出降低趨勢，但印度、中國和韓國穩(wěn)步增長，尤其是韓國增長幅度明顯。分析韓國CO2排放量，從1971年的52.1Mt上升到2011年的587.7Mt，平均年增長率為7.2%，是增速最快的國家。韓國經(jīng)濟發(fā)展迅速（平均年增長4%），并且2008年經(jīng)濟危機后迅速恢復(fù)。經(jīng)濟的發(fā)展直接導(dǎo)致了能源需求和消費的大量增長，成為世界天然氣最大進口國和亞洲原油進口第三大國[17]。2011年能源消費總量達到了271.1百萬噸油當量（Mtoe），其中核電為34.0Mtoe；能源消費總量比1973年增加了約9.4倍，但人口只增加了51.4%。

3.2 核電對溫室氣體減排的意義

從《京都議定書》到《聯(lián)合國氣候變化框架公約》，世界各國都在致力于GHG的減排，尤其是歐盟各國相繼出臺了多個行業(yè)減排計劃。繼美國出臺“總統(tǒng)氣候行動計劃”和“清潔電力計劃”后，我國發(fā)展與改革委員會頒布了《中國應(yīng)對氣候變化規(guī)劃（2014—2020年）》[18]。

核電是技術(shù)成熟、供能穩(wěn)定的清潔能源。與火電相比，核電不直接排放二氧化硫、煙塵、氮氧化物和二氧化碳。發(fā)展核電是電力工業(yè)污染物減排的有效途徑，也是減緩地球溫室效應(yīng)的重要措施。根據(jù)表2和各國電力結(jié)構(gòu)可初步估算出各國發(fā)展核電CO2減排量，如表4。從表4可知，如果全球不發(fā)展核電，而是用燃煤或燃氣發(fā)電，2011年將新增2602.1Mt或1196.7Mt的CO2，占目前排放量的8.3%或3.8%；典型核電國家核電減排比例最大的是瑞典和法國，最小的是中國和印度，并且只有中國和印度低于全球平均水平。

表4 典型核電國家核電CO2減排效果（2011年）

①如果用煤電代替核電多產(chǎn)生的CO2量和占總排量的比例。②如果用燃氣發(fā)電代替核電多產(chǎn)生的CO2量和占總排量的比例。

中國是當前能源消費第一大國，同時2011年能源消費產(chǎn)生的CO2量近80億噸，超過美國成為CO2第一大排放國。我國一次能源以煤炭為主，燃煤電廠給環(huán)境保護帶來巨大壓力，全國的大氣狀況不容樂觀。重點調(diào)查的火電廠排放二氧化硫、氮氧化物和粉塵分別是706.3萬噸、981.6萬噸、144.2萬噸，分別占全國排放總量的33.4%、42.0%和11.7%[19]。核電廠在生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生SO2、NO和PM等污染物，核電技術(shù)的發(fā)展對常規(guī)污染物的減排具有積極作用。發(fā)展核電技術(shù)不僅能夠進一步保障能源供應(yīng)的安全，同時可有效降低污染物和溫室氣體的排放。

4 結(jié) 論

進入21世紀后，核電反應(yīng)堆數(shù)量保持穩(wěn)定，但核電裝機量逐年增長，核電新技術(shù)逐步得到應(yīng)用，并且新裝機量主要在中國和印度等國。通過對全球能源消費結(jié)構(gòu)和核電發(fā)展分析，得到4個特征的10個典型核電國家，并且對這些國家的能源結(jié)構(gòu)、電力組成、CO2排放特征和核電減排作用進行了分析，得到如下結(jié)論。

（1）電力生產(chǎn)過程是各國CO2排放的主要源頭，近年來單位發(fā)電量和單位GDP的二氧化碳放電量均呈現(xiàn)逐年下降趨勢，這和各國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、核電發(fā)展存在密切關(guān)系；美國雖然是人均排放第一大國，但韓國、中國和印度人均排放量逐年增加，尤其韓國增速最快。

（2）核電作為技術(shù)成熟、供能穩(wěn)定的低碳能源，對各國溫室氣體減排具有關(guān)鍵作用，相對煤電，全球因為核電發(fā)展CO2年減排量占總排放量的8.3%；中國的核電發(fā)展迅速，但溫室氣體減排量依然很低。

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Greenhouse gas emission in typical nuclear power countries

YAN Mi1，2，WANG Tongtao1，LI Yan1

（1China Science and Technology Exchange Center，Beijing 100045，China；2Institute of Energy and Power Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，Zhejiang，China）

Through the analysis of world energy consumption and nuclear power statistic，the typical countries with nuclear power were recognized by rapid developing，fast shut down ability，large capacity and high ratio of nuclear power on total energy consumption. In additional，energy and electricity distribution，CO2emission and reduction by nuclear power in these countries were deeply investigated. This study shows that power plant is the main source for CO2emission in these countries，while CO2emission per kWh gradually decreased year by year，which is closely related to the adjustment of energy construction. At present，the country with the largest emissions per capita is USA，in addition，the country with the fast increase on this value is South Korea in recent years. Based on the CO2emission factor of coal power plant，CO2emission reductions of nuclear power accounted for 8.3% of total global CO2emissions in 2011，while CO2emissions reduction by nuclear power accounted for 1.1% of the total annual emissions in China.

nuclear power；carbon dioxide；climate change；carbon emission reduction

X 382.1

A

1000–6613（2015）09–3256–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.09.008

2014-12-29；修改稿日期：2015-01-21。

國家科技支撐計劃項目（2012BAC20B00）。

嚴密（1985—），男，博士，主要是從事清潔能源和氣候變化研究。E-mail yanmi1985@zjut.edu.cn。聯(lián)系人：王同濤，博士，副研究員，主要從事清潔能源科技政策研究和管理。E-mail wangtt@ cstec.org.cn。