空气污染排放视角下中国核电的健康效益

夏 凡，廉 超，王明煌，*，邹小亮，付雪微，柏云清，李亚洲，陈珊琦

（1.中国科学院核能安全技术研究所 中子输运理论与辐射安全重点实验室，合肥 230031；2.中国科学技术大学，合肥 230026）

当前，我国的能源结构以化石能源为主，我国是全球最大的煤炭生产国和消费国，占全球总煤耗的近50%[1]。据《中国电力行业年度发展报告（2018）》统计，2017年，化石能源发电量占全国发电总量的60%以上[2]。全国338个地级及以上城市中，有217个空气质量超标，占64.2%，其中重度污染和严重污染分别为1 899天次和822天次，以细颗粒物PM2.5为首要污染物的天数占重度及以上污染天数的60%[3]。我国政府积极采取措施改善空气质量，包括减少化石能源的使用、大力发展清洁能源等。

核能在发电过程中不直接排放空气污染物，是我国正在大力发展的清洁能源之一[4]。自1994年我国第一座核电站商业运行以来，截至2019年3月，我国大陆共有在运核电机组45台，总在网装机容量达42 976 MW，运行机组数量仅次于美国和法国，另外，有15台核电机组正在建造中，在建规模世界第一[5]。本文评估我国发展核电在改善空气质量方面对居民健康的影响。首先，对比了核电与煤电的空气污染物排放系数；然后，根据因空气污染物排放引起的死亡率与人均燃煤发电量的负指数幂关系，评估核电在改善空气质量方面与燃煤电厂相比能够避免的死亡人数和患病人数，包括1995—2018年的估算数据以及2020—2030年的预测数据。

1 核电与煤电的空气污染物排放系数

空气污染物是一种复杂的混合物，包含数百种成分复杂的气态化合物和颗粒物，其成分在空间和时间上均存在变化。暴露于大气中的PM2.5（即空气动力学直径小于或等于2.5μm的细颗粒物）对健康有重大的影响，通常把PM2.5作为指示剂污染物，用于流行病学分析[6-8]。PM2.5来源复杂，既包括直接排放，也包括二次转换。在一定条件下，大气中的SO2、NOx等气态化合物会发生光化学反应，转化成硫酸根离子和硝酸根离子，并进一步转化成固态硫酸盐和硝酸盐颗粒物，形成二次PM2.5。一般采用硫氧化比（Sulfur Oxidation Ratio，SOR）和氮氧化比（Nitrogen Oxidation Ratio，NOR）表示SO2和NOx的转化比例[9，10]。

燃煤电厂是PM2.5的主要来源之一，既包括煤燃烧时产生的细颗粒物，也包括由SO2、NOx等前体物转化而来的二次细颗粒物。虽然我国燃煤电厂已普遍采用除尘技术，从总体上有效去除粒径较大的颗粒物，但对于PM10以下粒径较小的颗粒物（特别是PM2.5）的去除效果并不理想[11，12]。

核电在发电环节不直接排放空气污染物，但是从整个燃料链考虑，在铀矿开采、铀浓缩、冶炼、燃料制造加工、运输、燃烧、后处理、厂房建造等各个环节中，会使用其他能源及其他材料，而这些材料的制造加工运输等环节会排放空气污染物。因此认为，核电在整个生命周期过程中会排放空气污染物。核电间接排放的空气污染物主要取决于生命周期中使用的其他能源的消耗。

我国具有完整的核燃料链和煤燃料链，从整个燃料链角度考虑，核电和煤电一次排放的SO2、NOx、PM2.5的数据见表1[13]。SOR和NOR受温度、湿度、光照等气象条件的影响较大，理论上的取值范围为0%～100%，不同学者的研究结果存在较大差异，本文统计了不同学者对我国PM的研究结果，SOR的范围为0.15～0.55，NOR的范围为0.05～0.39[14-21]。本文取值SOR=0.35，NOR=0.25，计算SO2和NOx二次转化PM2.5的量。

由表1可知，单位电量核电排放的PM2.5约为燃煤电厂的2%，因此，假定核电排放空气污染物导致的死亡率约为燃煤电厂的2%，发展核电能够避免的死亡人数为燃煤电厂导致死亡人数的98%。本文对核电带来的健康效益采取可容许误差范围内的保守估计。原因如下：

（1）实际情况下，核电厂选址往往较为偏僻。空气污染物对健康的影响主要考虑以反应堆为中心的比较小范围区域，范围外的影响可忽略不计。核电站临近区域一般人口稀少，例如，台山核电站厂址半径5 km范围内陆域面积的平均人口密度为14人/km2，远低于江门市2013年平均人口密度（413人/km2）[22]。辽宁红沿河核电厂半径5 km范围内平均人口密度为75人/km2，远低于大连市同期平均人口密度（465人/km2）[23]。而根据火电厂选址原则，一般情况下位于城市15 km的郊外。故实际情况下核电发展能够避免的死亡人数会更多，带来的效益将更明显，本文得出的核电健康效益结果将是保守数据。

（2）一方面，核电链PM2.5引起的死亡率本身取值很小，仅相当于煤电链的2%，另一方面，核电生产全生命周期的空气污染物排放，主要来源于核燃料循环的其他环节，尤其是采矿的环节，铀矿开采所在地相比于核电厂，可能会与人口稠密地带更加靠近一些。故本文采用保守假设对评价结果影响有限，在容许的误差范围内。

表1核电链与煤电链空气污染物排放系数对比Table1 Comparison of emission factorsof nuclear power and nuclear power chain

2 健康影响规律

2.1 影响机制

2.1.1 死亡率

研究表明，人均煤电发电量与人均死亡率之间存在显著关联[24]。且全球范围内死亡率和人均燃煤发电量存在负指数幂关系[25]。本文借鉴了文献[25]中对全球尺度大范围空气污染物的健康影响评价模型，通过将我国各省份由于燃煤排放PM2.5导致的死亡人数[6]和人均燃煤发电量数据进行拟合，对该模型的影响系数进行了修正，得到的负幂指数关系如图1所示。拟合后公式为：

式中，X——人均燃煤发电量，（TW·h）/人；

Y——空气污染物导致的死亡率，人/（TW·h）。

图1燃煤电厂PM 2.5导致的死亡率与人均燃煤发电量的关系Fig.1 Relationship between mortality caused by PM 2.5 in coal-fired power plantsand per capita coal-fired power generation

2.1.2 患病率

根据空气颗粒物流行病学研究，由于空气污染造成的患病率可以通过暴露响应方程[26]得出，且可以认为患病率和死亡率之间存在一定比例关系，则患病率可由式（2）计算得出。以下列举5种疾病患病率与死亡率的关系，如表2所示。

式中，Z——由空气污染引起的患病率；

K——比例系数，对于某种特定的疾病，K取常数；i——疾病类型。

2.2 煤电对健康的影响

根据式（1），由不同年份的人均燃煤发电量可得出相应的死亡率。历史上的全国人均燃煤发电量数据可通过国家统计局网站查询，根据国家统计局的数据，火力发电包括燃煤发电、燃气发电、生物质发电等，而燃煤发电占比超过90%，因此，本文以火力发电数据的90%计算燃煤发电数据[27]。根据我国电力企业联合会2015年发布的《中国电力工业现状与展望》，预测2020年煤电装机容量约为1.1×109kW，发电量约为5.467×1012kW·h，2030年，煤电装机容量达到1.35×109kW，发电量约为6.489×1012kW·h[28]。假定2019—2020年、2020—2030年煤电发电量呈线性增长，人口预测数据来源于国家发展和改革委员会[29]，以此预测2019—2030年的死亡率。全国人均煤电发电量和死亡率随时间的变化如图2所示。其中，人均煤电发电量数据为柱状图，对应左侧纵坐标，死亡率为点线图，对应右侧纵坐标。

表2 患病率和死亡率的关系[24]Table 2 The relationship between morbidity and mortality

由图2可知，随着人均煤电发电量的提高，中国燃煤电厂排放空气污染物所致的死亡率在逐年降低，2018年以前下降幅度较快，2018年以后变化幅度较小，基本保持不变。

图2全国人均煤电发电量和死亡率随时间的变化Fig.2 Changesin per capita coal power generation and mortality in China over time

2.3 核电对健康的影响

我国一共出现4次核电建设潮流，第一次是1985年后，秦山一期核电站、大亚湾核电站1号、2号机组共3台机组投入建设；第二次是1995年后，秦山二期1、2号机组、岭澳核电站1号、2号机组、秦山三期1、2号机组、田湾核电站1、2号机组共8台机组先后投入建设；第三次是在2005年后，岭澳3号、4号机组、秦山二期3号、4号机组、红沿河1号、2号机组、宁德1号、2号机组、福清1号、2号机组、方家山1号、2号机组、三门1号、2号机组等30台机组先后投入建设；第四次是在福岛核事故后，福清4号、5号、6号机组、阳江4号、5号、6号机组、田湾3号、4号、5号机组、红沿河5号、6号机组等十余台机组投入建设[5]。由于核电站建设周期较长，自1994年大亚湾核电站和秦山一期核电站投入商业运行以来，我国核电发电量一段时间内保持在较低水平，从2000年以后逐年大幅增加，尤其是近几年，每年都有大量新建机组投入商业运行。

本文仅考虑空气污染物对人类健康的影响，根据公式（1）及核电与煤电排放系数的关系，计算我国核电能够避免的死亡人数。

根据中国国家统计局网站[27]、《中国能源统计年鉴2017》[30]及《中国统计年鉴2018》[31]中国核能协会公布的数据[5]，2018年我国核能发电量达286.5 TW·h，占总发电量的4.2%。我国自1995年以来每年核电发电量与相应能够避免的死亡人数如图3所示，核电能够避免的死亡人数在1995—2000年基本保持不变，2000年以后总体呈上升趋势，2005年前后有一段猛增，可以解释为第三次核电建设潮流时期核电发电量增长迅速，导致避免的死亡人数出现跳变，2010年以后逐年增长，增速较快。本文估算了1995—2018年间，中国核电发展可避免死于空气污染的人数总计47 223人，可避免的患病人数总计226 198人。

考虑放射性泄漏的风险，根据文献[25]采用线性无阈模型的计算结果，全球范围内煤电由于天然放射性物质导致的死亡率仅为0.055人/（TW·h），而1995—2018年煤电由于空气污染物排放导致的死亡率在[16.249，82.831]，二者相差近300倍，可见煤电由于放射性物质泄露导致的健康影响几乎可以忽略。

图3历史上每年的核电发电量与避免的死亡人数Fig.3 Annual nuclear power generation and thenumber of deathsavoided in history

图4历史上每年的核电发电量与避免的患病人数Fig.4 The annual nuclear power generation and the number of patientsavoided in history

核电正常工况下，由于放射性物质释放导致的死亡率为0.137人/（TW·h），由于空气污染物释放导致的死亡率约为煤电的2%，即[0.325，1.66]，同时考虑这两个因素对区间两端分别求和得[0.462，1.797]人/（TW·h）。而核电可避免的死亡人数占燃煤电厂导致死亡人数的98%，为[15.924，81.174]人/（TW·h）（绝大多数可避免死亡）。由此可见，发展核电对人类健康影响以效益为主。

3 2020—2030年核电发展的健康效益

我国制订了积极的核电发展计划，2016年，我国发布的《能源发展“十三五”规划》指出，到“十三五”末，我国核电运行装机容量将达到5.8×107kW，在建机组达到3×107kW以上[32]。预计到2030年中国建成并投入运行的核电站将要超过100座，装机容量将达1.2×108～1.5×108kW，核电发电量将达到发电总量的8%～10%[5]。本文针对不同的运行因子对未来核电的健康效益做了分析。

3.1 不同运行因子下健康效益预测

核电站在换料、维修时需要停堆，因此不能全年进行发电，本文分别按照70%、80%、90%、95%的运行因子对未来核能发电量进行预测，2020年运行装机容量5.8×107kW，2030年运行装机容量为1.2×108kW，其对应的发电量数据见表3。假定2020—2030年核能发电量呈线性增长，由于在此期间空气污染物引起的死亡率基本保持不变，因此，可以认为核电可避免的死亡人数与核能发电量随时间呈线性关系，如图5所示。针对不同的运行因子，2020—2030年核电能够避免的死亡人数将分别达到约7.3万、8.3万、9.3万和9.9万，能够避免的患病总人数将分别约34.8万、39.7万、44.7万和47.2万。运行因子每提高10%，累计避免的死亡人数能够提高约1万，累计避免的患病人数能够提高约5万，增长幅度在10%以上。

3.2 不同装机容量下健康效益预测

根据预测，2030年运行核电装机容量120 GW～150 GW，本文分别按照10 GW间隔进行敏感性分析。按照80%[5]运行因子对2020—2030年进行预测，对应的发电量数据见表4。每年避免的死亡人数见图6。针对不同的装机容量，到2030年核电能够避免的死亡人数将分别为8.3万、8.7万、9.0万和9.4万，能够避免的患病总人数将分别为39.7万、41.5万、43.3万和45.1万。装机容量每提高10 GW，累计避免的死亡人数能够提高0.4万，累计避免的患病人数能够增加约2万，增长幅度在5%以下。

表3不同运行因子对应的发电量Table 3 Power generation for different operating factors

图5不同运行因子对应的每年避免的死亡人数Fig.5 Number of deathsavoided each year for different operating factors

表4不同装机容量对应的发电量Table 4 Power generation capacity for different installed capacity

图6不同装机容量对应的每年避免的死亡人数Fig.6 Number of deathsavoided each year for different installed capacity

下面将本文的评估结果与已经公开发表的文献评估结果进行对比。文献[6]显示，2013年由于煤电产生PM2.5引起的死亡人数的区间估值在[77 654，93 804]，2030年死亡人数的区间估值在[78 277，123 908]。本文根据2013年死亡率数据计算出的死亡人数为71 895人，预测2030年由于煤电空气污染物排放造成的死亡人数为70 317人，与文献[6]等具有较高的吻合度。研究人员给出了中国2005—2015年PM2.5导致死亡人数的评估数据[34-35]。根据文献[34]，2015年、2010年、2006年中国PM2.5所致死亡人数区间分别为[281 460，873 800]、[290 080，849 830]、[197 360，590 290]（置信度95%），由于煤电引起的死亡人数约占总PM2.5所致死亡人数的8%～9%[6，33]，可计算煤电产生PM2.5致死区间在[25 331，78 642]、[26 107，76 485]、[177 62，53 126]。本文计算2015年、2010年、2006年、2005年死亡人数分别为72 625人、70 172人、67 866人和67 109人，前两组数据吻合较好。2005年的附近区间计算略低于本文计算结果，而根据文献[35]，2005年、2015年中国环境PM2.5致死人数（百万人）区间分别为[0.84，1.25]、[0.70，1.04]（95%置信度），对应煤电致死区间为[75 600，112 500]、[63 000，93 600]，2005年区间计算值高于本文计算结果，2015年吻合较好。可以解释为NO x、SO x对空气污染物转化取值不同，2005年附近情景选择不同都会引起评估数值差异，故认为本文评估结果具有合理性。

4 结论

（1）从全燃料链角度考虑，核电排放的空气污染物约为煤电的2%，因此核电可以有效避免空气污染对人类健康的不利影响。中国核电自1994年投入商业运行，到2018年累计避免了约4.7万人死于空气污染，避免了约22.6万人因空气污染患病。中国政府制订了积极的核能发展战略，未来核能在改善空气质量方面将起到更大的作用，避免更多的人死于空气污染。

（2）按照运行因子为70%、80%、90%、95%进行预测，2020年运行装机容量5.8×107kW，2030年运行装机容量为1.2×108kW，可估算2020—2030年核电能够避免的死亡人数将分别达到7.3万、8.3万、9.3万和9.9万，能够避免的患病总人数将分别达到34.8万、39.7万、44.7万和47.2万。

按照80%运行因子，2030年运行装机容量120～150GW，分别按照10GW间隔进行敏感性分析，到2030年核电能够避免的死亡人数将分别达到8.3万、8.7万、9.0万和9.4万，能够避免的患病总人数将分别达到39.7万、41.5万、43.3万和45.1万。提高核电站的运行因子和增加核电装机容量均能避免更多的人死于空气污染，并且提高运行因子能够通过更少的付出获得更大经济收益，因此，建议尽最大可能提高现有核电站的运行因子，使核电发展带来的效益最大化。