核能在我国清洁低碳能源系统中的战略定位研究

□李林蔚 朱 博 刘 秀

清洁低碳是未来全球能源发展的主基调，也是高质量能源系统的主要内涵与特征。未来的清洁低碳能源系统应是碳中和的、或绝对的零碳排放。若要实现碳中和，能源系统还需大幅度提高清洁能源比例，降低传统化石能源比例。碳中和愿景下的能源系统将发生深刻的、跃迁式的变革，以先进核能和可再生能源为代表的新型电力系统将成为主流，低碳发展能力、低碳先进技术和低碳经济体系将成为各国经济发展的核心竞争力。

一、现状、机遇和挑战

(一)现状：我国已成为在运机组全球第三，在建机组数量多年全球领先的核电大国。截至2020年10月底，我国在运核电机组48台，装机容量为4,988万千瓦，占全国总装机容量的2.4%；在建核电机组14台，装机容量1,553万千瓦，在建规模继续保持全球领先。

1.加快技术创新，推动核能型谱化发展。1983年6月，我国提出核能发展“三步走”战略以及“坚持核燃料闭式循环”的方针。经过40多年的努力，我国核行业致力于自主创新，相继掌握了10万、30万、60万、100万千瓦级核电技术，实现了中国核电技术的型谱化发展。以“华龙一号”开工建设为标志，我国成为继美国、法国、俄罗斯等核电强国后又一个拥有独立自主三代核电技术的国家，且已进入规模化应用阶段，可满足当前和今后一段时期核电发展的基本需要。第四代先进核能系统与聚变技术也取得了较大进展。

2.核燃料循环技术与能力持续提升。我国核燃料循环产业发展水平不断提升，在铀矿地质勘查、铀矿冶、铀浓缩、核燃料元件制造以及乏燃料后处理等重要环节不断实现技术突破和产业升级，后处理短板加速补齐，逐步建立起自主、先进的核燃料循环体系。

(二)机遇：碳中和紧迫进程，为核能的可持续发展提供了新的机遇。核能是全生命周期碳排放最小的发电技术之一，已经在为世界提供清洁和丰富的能源方面作出了重大贡献。政府间气候变化委员会(IPCC)的评估报告中指出，在考虑铀矿采冶及核电站退役治理后，核能依然是全生命周期碳排放最小的发电技术之一。IEA的研究表明，在过去的半个世纪中，核电帮助降低了二氧化碳的长期排放增加速度，尤其是在发达国家。在全球范围内，从1971到2018年，核电输出减少了630亿吨的二氧化碳排放。

1.核能的平准化电力成本(LCOE)具有竞争力。根据OECD与NEA联合发布的《电力供应的全部成本》报告，我国核电的折现率分布在0%～5%，即使折现率取5%，核电的平准化电力成本的中值也低于煤电、天然气、风光等。在我国，与化石能源和可再生能源的平准化电力成本相比，核电具有长远的成本竞争力。核能可为电网提供安全稳定运行和优质电能供应的重要支撑，系统成本极低。美国政策研究中心等四家机构联合发布的《清洁能源需要核能》报告表明相比于依赖可再生能源(如风电、太阳能发电)的电力系统，核能与其他可再生能源协调的电力系统可实现更低的碳排放。

2.全球气候变化负面影响比原来预计更迅速、更广泛、更剧烈。呼应1.5℃温升控制目标，越来越多国家和城市提出2050年实现碳中和。截至目前，全球120多个国家和地区正式提出碳中和(或气候中和、净零排放)承诺，包含德国、法国、日本、英国、南非、韩国等。2020年9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出：中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。

3.可再生能源的发展受到技术和资源限制。21世纪，风光电的不稳定依靠技术解决的风险较大，而且成本很高。根据技术发展的学习曲线，到2050年，太阳能发电和风电的技术进步还无法克服它们的间断性及效率。利用储能系统缓解风能和太阳能的间歇性也面临高成本等诸多问题。在大规模可再生能源生产、上网、输送、储能等环节仍存在诸多技术瓶颈的情况下，能源转型的紧迫需求为核能发展提供了机遇。随着世界向清洁能源过渡，风光电等可再生能源的装机容量将超过总装机容量的一半。风、光等可再生能源大规模并网会降低电网抵御严重事故的能力，增加大面积停电的风险。

(三)挑战：核能产业链的均衡发展。

1.科技创新能力还需进一步提升。受制于技术成熟度，核能发展规模受限。我国三代核电建设还处于积累成熟期，批量化规模效应和产业竞争力还有待提升，实现安全性与经济性的优化平衡是三代核电发展面临的现实挑战。技术储备不足，国内制造厂生产的关键零部件及设备的质量稳定性有待提高。

2.核燃料循环产业核心竞争力不强、发展不平衡。我国铀资源并不富有，并且国内天然铀家底仍然不清、产能低、成本高，大规模发展核电将依赖进口。核燃料加工环节产业竞争力不强，核燃料元件包壳及关键材料仍需进口，铀转化和浓缩成本较高，劳动生产力较低，产品价格和核算机制尚未与国际市场接轨。核燃料循环后段还存在较大差距，还没有掌握后处理产业化的技术和处理能力，核电厂低中放废物处置能力严重不足。

二、核能未来的战略定位

(一)保障能源安全，推动能源高质量发展的重要组成。

1.风、光伏等清洁能源的快速发展，对电网抵御严重事故的能力提出了更高要求。为实现二氧化碳排放2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和的目标，我国能源系统仍需大力推进以核能、风能、太阳能等清洁能源替代煤炭、天然气等化石能源。根据模型测算，届时，煤炭等化石能源在电力系统中的占比仅有12%，核能占比约28%(是现阶段核能占比的6倍)，风能占比为21%，太阳能占比为17%，水电份额约14%，生物质能占比约8%。

2.核能可与间歇性、分散性的再生能源互补发展。我国风、光、水等能源资源丰富地区大多距离负荷中心较远，大规模集中式开发已给电网调度和调峰带来一定困难。核能具有运行稳定、可靠、换料周期长等特点，适合承担电网的基本负荷及必要的负荷跟踪，是目前唯一可大规模替代化石能源的基荷并具备一定负荷跟踪能力的电源。大力发展核能有利于改善能源与负荷分布的空间结构，形成更为安全的电网，对优化能源整体布局、保障能源供应安全具有重要意义。

(二)核能是实现碳中和目标不可或缺的选择途径。

1.核电是我国实现碳中和必不可少的途径。我国能源构成中，煤炭处于主体性地位，并短期内仍是我国主要能源来源；石油消费量高但生产量低，供应依赖进口。从近十年数据看，煤炭、石油这两种能源消费约占到我国一次能源消费总量的80%～90%。我国实现碳中和离不开核电和大型水电，但是我国剩余水电可开发容量已仅剩约2亿千瓦，其开发难度与造价也日益增加。核电作为一种能量密度大稳定可靠的能源，是我国实现碳中和目标不可或缺的选择，也是支撑我国电力系统正常稳定运行的重要途径。

2.发展核电可以解决碳中和的系统经济性问题。能源转型不是某一品种的能源在经济性上具有替代另一品种能源时就可以实现转型，而是涉及到整个经济、社会系统是否具有经济性。现阶段，我国碳中和的最大障碍是系统经济性问题。而我国经济社会的发展还处于爬坡阶段，不平衡不充分问题还有待解决，高碳能源特性十分显著，难以承受更沉重的电力系统成本。核电不仅是全生命周期碳排放最小的发电技术之一，而且电力系统成本极低，是解决碳中和的系统经济性的有效方法。

(三)发展核电是“双循环”的主要抓手之一。

1.核电投资可以拉动内需，扩大内需。核电作为高科技战略产业，一次性投资金额大，建设周期长；核电产业链条较长，核电投资建设对相当多产业形成了直接和间接拉动。一台百万核电机组，建设期间投资约200亿元，其中设备费100亿元，可提供就业岗位5万个；全寿期对产业链贡献1,000亿元。根据测算，1元的核电建设投资，对关联产业的拉动作用如下：一是对42个行业门类中的37个行业产出的拉动作用超过0.01元；二是对通用、专用设备制造业等14个行业产出的拉动作用超过0.1元；三是对通用、专用设备制造业等14个行业产出和增加值增长，分别占1元核电投资建设拉动总产出和增加值的73%、70%。从短期来看，发展核电有助于扩大有效投资，稳增长、稳就业；长期来看，有助于增加有效供给，释放国内经济增长潜力，保持我国经济长期持续健康发展，满足人民日益增长的美好生活。

2.优化升级核产业链，加快形成国际国内双循环相互促进的新格局。大力发展核电，核能创新能力得到不断提高，努力打造自主可控、安全可靠的核产业链，实现产业结构、产业布局的根本性变化。顺畅国内循环，形成对全球资源要素的引力场，构建以国内大循环为主，国内国际双循环相互促进的新发展格局。

(四)国际地缘政治的重要支点。

1.核能“走出去”是大国政治外交的延伸。核电工程项目不同于一般商业出口，核电工程项目“走出去”一般都是两国之间政治交易。核电合作在政治上敏感，建设成本大，需要大量资金支持，只有互相信任的国家才会开展合作，同时通过核电合作也可以有效发展两国关系，促进经济、社会、文化等方面的合作。政府之间通过主导核电项目之间合作的同时，能够促进两国彼此在国际关键问题中互相支持，在商业贸易上获得优惠。建立起合作共赢的商业机制。

2.核能项目缔造国与国之间的“百年联姻”。从核电建造到核电退役，周期长达近百年，核电“走出去”属于国与国之间的“百年联姻”，推动核能全产业链“走出去”是践行“一带一路”倡议的国家名片，是提升国际影响力、拓展大国势力范围的重器与抓手，更是政治关系的“压舱石”。核能将充分发挥核工业体系的综合优势，通过积极参与“一带一路”建设，以核电为龙头，带动核燃料、工程管理、技术服务、装备制造走向世界，推动核全产业链走出去，打造参与全球核治理的国家平台，不断提升我国核工业在世界舞台的影响力和话语权。

三、核能发展路径

(一)技术方向：更经济、更安全、兼顾防扩散。实现安全性与经济性的优化平衡是三代核电发展面临的现实挑战。能够和其他清洁能源相竞争，度电成本低于3美分；初投资小于每千瓦发电装机容量1,000美元；缩短核电前期准备周期，建设期小于3年；全寿期内经济性优于其他清洁能源；核电可调度(调峰)和竞价上网。

安全性仍然是核电发展的前提。堆芯融化概率低于10～8/堆年(放心式、安心式的安全理念是：即便堆芯融化，也能够做到对外零排放。这种零排放是取决于未来的“双四可”，即可存储、可封堵、可隔离、可处理；厂址可控、事故后可退役、可恢复、可再用。)；在事故条件下无放射性场外释放，无需场外应急，这是核安全的一个革命性改进，其含义是无论核电站发生是什么事故，对场外公众都不会造成损害；能够通过对核电站的在堆整体实验向公众证明核电的安全性。除降低核电事故概率之外，另一种需求就是核电做到正常运行和事故情况均实现液体零排放，气体受控达标排放，固体放废进入国家低中高放废处置库存放。在技术上掌握严重事故核电厂的受损堆芯的收集处置、电站退役拆除、受污染环境的恢复手段和能力，在10～30年内归还厂址给地方政府。

(二)产业链前端与核电规模协同发展。

1.构建完整可靠的铀资源保障战略体系，解决铀资源缺口。从资源储量看，全球近中期内(2035年前)铀资源供给保障是有经济条件和物质基础的，但我国现有铀资源保障体系能力存在较大缺口。我国必须从战略上高度重视铀资源保障建设，增强铀资源保障体系建设的前瞻性。提升国内铀资源保护性开发力度，重视天然铀海外开发，推进多层次储备，加大二次供应能力保障。

2.坚持核燃料闭式循环方针，把握后处理节奏。我国在上个世纪就制定了核燃料闭式循环方针，未来应突破核燃料闭式循环瓶颈，掌握闭式循环技术，形成规模化后处理能力，提高铀资源利用率。在快堆的技术成熟度较低的情况下，乏燃料可采取中间贮存手段。随着快堆技术的发展，逐步推动闭式循环，最终实现完全闭式循环。

(三)核能多用途利用才能最大限度发挥核能作用。人类对和平利用核能的需求不断延伸，除了利用核能进行发电之外，在太空探索、海洋开发、供热制冷、工业用汽、海水淡化、制氢等宽领域、多维度拥有广阔的应用前景。特别是在当前核能发电能力相对过剩的形势下，充分发掘核能多用途利用潜能，对于核能产业的可持续发展具有深远的意义。

(四)批量化规模化发展，持续提升核能竞争力。核电机型选择应以成熟堆型为主，对同一型号系列核电机型，批量化建设机组数能够大幅降低核电建造成本。核电机型越成熟，建设过程中需要研究验证的费用越少，遇到未曾发现和经历的问题越少，发生差错、事故、变更的事件越少，因而需要付出的不可预见费用越少，必然会节省投资。同时，成熟的机型，一般运行可靠性好，能保持持续稳定运行，确保机组投运后的经济性。通过设计与设备的标准化、系列化，节省研制、开发费用，便于工厂优化加工程序，降低设备的制造成本，简化安全审批手续，有利于积累经验和推广应用，从而缩短建设工期，降低造价。

(五)注重沿海与内陆、东部与中西部的时空合理布局。因地制宜，合理布局核能，推动区域能源高质量发展。针对我国区域能源发展要求以及资源禀赋等因素，面向未来优化核能布局。我国一次能源禀赋地区分布不同，华北、西北、东北地区煤炭、风光资源富集，西南地区水电资源富集，华中地区一次能源匮乏。华中地区是长江经济带、中部崛起等国家重大战略中承担东部产业转移的核心区域，能源电力需求增长快，但资源有限。未来华中地区面临能源需求增长与清洁低碳发展的矛盾，核能是最优选择。按照区域发展的要求，可在山东、海南及东南沿海地区建设清洁能源示范区，加大核电建设比例，内陆电力负荷较大的区域，适时启动内陆核电站的建设，实现我国区域能源电力清洁化、低碳化，保障电网安全可靠。

(六)创新商业模式，多方位降低核电成本。一是延长在运核电机组寿命。通过对核电机组基本结构、系统和部件进行特殊产权评审和评定来延长核电机组寿命至60年或80年已经成为越来越多国家的选择。当核电机组延寿的费用一般为新建核电机组的10%～20%，延寿期间核电成本具有较大优势。二是优化核电站设计。未来的研发设计不仅要有非能动安全特征的反应堆，还要优先考虑优化核电站方面的设计。三是降低核电站建造成本。在核电站建设过程中，科学的建设方法可以有效提高施工效率，进一步提高核电站的经济性。

四、措施建议

(一)稳步推进核能批量化规模化持续发展。中国能源总需量大，各地区不平衡，能源转型的技术选择因地而异，多元互补，核能应是重要技术选项。保持核电稳定建设节奏，基于我国核能发展已有基础和条件，充分考虑核安全和公众影响等问题，建议2021～2035年期间每年稳定开工三代核电机组6～8台，尽早启动内陆核电站的建设。核电机型选择以具有自主知识产权的华龙系列三代大型压水堆为主，对同一型号系列核电机型，批量化建设机组数不少于30台；同时依据市场需求，推动核能多用途利用项目落地。“十四五”期间启动华中地区核电建设，加强沿海与内陆核电厂址的开发与保护力度，优化国土空间布局，推动区域可持续发展，促进核能可持续健康发展。

(二)积极推动核能行业科技创新。核能是少数大国战略必争的高科技产业，代表国家核心技术竞争力和影响力。我国要坚定不移实施核能发展战略，引领全球能源变革的方向，打造世界范围内先进能源技术核心竞争力。构建新型举国体制，结合市场机制，整合相关资源组建具有世界先进水平的综合性国家核能实验室，形成以国家投入与企业投入相结合的核能技术创新机制。以国家重大专项的形式，重点资助具有基础性、前瞻性和新颖性的研究课题，实现关键核电技术、设备、材料达到国际领先水平；以“模块化、小型化、多功能化、智能化”为方向，加快核电技术创新，拓展核能技术的跨领域应用，提升未来核电产业经济性。

(三)完善天然铀产业发展配套政策。加大铀矿资源勘查投入力度，摸清家底，持续增加我国探明铀资源的储量。妥善解决铀矿勘查的探矿权问题，允许核地质系统在石油、天然气部门已登记的区块内取得铀矿的探矿权和采矿权，使得铀资源能够顺利得到勘探开发。构建利益共享、风险共担、多元投资、开放合作的铀矿开发体制，创新铀矿矿业权流转机制，允许按规定实行矿业权的有偿使用和流转。支持天然铀海外开发，利用多种方式参与国外铀资源开发，掌控更多的海外经济可采铀资源和铀产品份额，加大财政、金融、税收多领域的配套支持政策。

(四)推进核燃料循环后端产业协调发展。加快推进我国乏燃料后处理技术及专项实施，统筹国家核燃料循环后端及先进核能系统建设，强化顶层设计，确保有效落实。针对乏燃料后处理、MOX燃料设计加工、放射性废物管理等方面完善标准体系。打造国家级的核燃料循环后端技术研发平台，建立产、学、研、用紧密结合的研究开发体系。注重培养核燃料循环产业后端的专业化人才队伍，满足国家对核能事业可持续发展的人才需求。积极制定顶层法律，明确各方责权利，完善乏燃料以及放射性废物管理体制机制，进一步完善乏燃料基金制度和管理方式。