碳中和背景下核能低碳经济得到重视

□李林蔚 孙小凯 袁 帅

2021年以来，多国核工业机构联合发布《核能对实现联合国可持续发展目标的贡献》强调核能为实现联合国17个可持续发展目标作出的贡献。联合国欧洲经济委员会的新版《核技术简报》、经合组织核能机构向二十国集团提交的《碳循环经济中的核能》报告、国际原子能机构最新版《国际核电状况与前景》报告、世界核协会最新《世界核电厂运行报告》及法国电网公司《未来能源2050》研究都呼吁发展核能。

一、核能在减少二氧化碳排放方面发挥关键性作用

联合国欧洲经济委员会发布新版《核技术简报》，指出核能是低碳电力和热力的重要来源，有助于实现碳中和、缓解气候变化。核电在避免二氧化碳排放、实现碳中和方面能够发挥重要作用，如果将核能排除在外，2015年《巴黎协定》中设定的气候目标将无法实现。在过去的50年间，核电使全球碳排放量减少了74Gt，相当于减少了近两年的全球与能源相关的碳排放量。核电在减少碳排放量方面的作用仅次于水电。目前，核电占欧洲经委会成员国总发电量的20%，占低碳发电量的43%。核能为经委会许多国家提供低碳电力，目前有20个成员国拥有在运核电机组，15个成员国正在建设或计划建设新的核电机组，7个成员国正在制定首个核电建设项目计划。许多成员国已明确表示，核能将在未来减少本国碳排放方面发挥重要作用。核电是所有发电技术中对环境影响最小的一种，其对环境的影响远低于化石燃料。

经合组织核能机构(OECD/NEA)强调核能低碳作用。2021年9月23日，经合组织核能机构向二十国集团提交了《碳循环经济中的核能》报告。核能是有竞争力的、可靠且可持续的能源，在许多国家发挥了重要作用。在取代煤炭和天然气发电方面，核电的碳减排量最高，约是水电的2倍，太阳能发电的3倍(如图1所示)。报告强调，在脱碳方面，核电在未来几十年内将发挥越来越大的作用。

图1 每年每百万千瓦装机容量带来碳减排量

国际原子能机构最新版《国际核电状况与前景》报告强调核能在缓解气候变化中的作用，预测高情景下，到2050年，新建核电达到50,000万千瓦，核电装机容量将增加到71,500万千瓦。

二、核能将降低绿色低碳转型成本

10月25日，法国电网公司的研究成果《未来能源2050》，分析研究了法国2050年实现碳中和的6种主要方案，其中，最佳解决方案及成本最低是在2050年之前新建14座EPR2反应堆并适当新建相当容量的小型核反应堆，同时加大对可再生能源的投资。根据分析结果，即使新建核电站的平均发电成本高于可再生能源，从长远来看，至少40GW核电站的方案比100%可再生能源方案更能降低成本。随着核电装机容量增加，总成本有所降低，而且用于运输、配送可再生能源的弹性成本会降低。

图2 碳中和目标下不同转型方案年化成本

三、核能多用途利用在碳循环经济中发挥重要作用

作为碳循环经济的组成部分，核能在未来低碳能源系统中的作用并不局限于基荷电力。核能还可用于制氢、工业供热、区域供暖、海水淡化、合成燃料和化工产品生产、冷却和制冷以及热电联产。

《碳循环经济中的核能》中指出，核能多用途利用能推动相关行业脱碳，而且具有一定的经济性，如核电厂与氢电解槽耦合能够以高容量因子运行，从而提升低碳氢的成本竞争力。但是，各国在制订核相关政策时经常会忽视核能多用途利用，制订脱碳政策时必须将核能的高温非电力应用(如核能制氢)和低温非电力应用(如为石油冶炼和钢铁制造等工业供热)纳入考虑范畴。建议支持核热电联产示范工程，优先发展核能制氢，将核能在电力以外的应用纳入脱碳途径。

四、发展核能是降低化石能源依赖、与可再生能源协同的客观需求

COP26会议宣布新的全球清洁能源转型声明，承诺主要经济体到2030年，其他国家到2040年结束煤炭投资、扩大清洁能源规模、实现公正转型并逐步淘汰煤炭。

《国际核电状况与前景》认为核电在供应安全、可靠性和可预测方面具有明显优势。2021年2月的北美大停电表明了拥有弹性能源系统的重要性。由于全球变暖，发生极端天气事件的频率会增加，强度也会越来越大。核电厂的设计可以在极端天气条件下安全有效地运行，造成的发电损失相对有限。《世界核电厂运行报告》指出，核电能够提升电网运行的稳定性，进而推进太阳能和风能等间歇性可再生能源的部署。法国《未来能源2050》也表明核能与可再生能源协同的能源体系能够最有效实现碳中和，50%核能与50%可再生能源组合的方案的弹性成本相对较低。

五、融资影响核能未来地位

所有报告都提出，融资是影响核能未来发展最大的因素。作为高度资本密集型项目，新建核电所需资金量大，受利率变化、建设工期以及其他一些不确定因素影响。

法国《未来能源2050》强调，控制电力系统的全部成本，基本上直接取决于投资融资的条件。新建核反应堆是具有资本密集度高、建造时间长和使用寿命长的资产。近年来的经验表明，如果没有强有力的公共支持，无论是以差价合同还是直接公共投资的形式，反应堆都无法发展。只要核能受益于与其他低碳技术一致的融资条件，其经济性就能得到保证。因此，核能竞争力在很大程度上取决于其融资成本。不利的融资条件，例如缺乏公共支持或难以获得欧洲资金将增加核能生产的总体成本，从而对电力系统的总成本产生影响。如果新核能的融资成本高于可再生能源的3%，则新反应堆方案的成本将等同于“100%可再生能源”方案。

《碳循环经济中的核能》呼吁出台具体的扶持政策帮助新建核电项目实现低成本融资，将核能纳入可持续融资倡议。

六、小堆得到关注

小堆前期投入相比大堆低，预计在未来十年的成功示范将吸引更多国家。小型模块化反应堆目前大多数正在开发设计中，可以利用体积小的优势，用于偏远地区供电。微堆由于其灵活性，未来可能会有更广泛的应用。私人投资对小堆技术的开发、示范和部署越来越感兴趣。

小型模块堆的技术竞争力体现在高度模块化，降低建设成本和缩短建设工期，以实现批量生产的经济性。小堆技术仍需要满足几个条件以达到商业竞争力：一是首堆的安全运行；二是有竞争力的成本；三是可行的融资方案；四是完善的许可证审评路径。微型反应堆功率范围在1MW到20MW之间，可为工业偏远地区或离网地区供电，提供电力弹性，作为柴油的替代品，部署在小型模块堆都不适合的市场。

七、科技创新是促进核能发展的又一重要因素

核电的技术创新使其应用范围不断扩大，同时也使核能可以与其他的低碳能源进行整合，如间歇性可再生能源和采用碳捕集体和封存(CCS)技术的化石燃料。技术创新主要体现在冷却剂材料、核燃料循环系统等方面。

冷却剂材料方面，以水为冷却剂的反应堆技术已经非常成熟，目前在全球市场上占据主导地位。水冷堆主要分为压水堆、沸水堆和重水堆三种类型，其中压水堆是当前全球最为常见的核动力反应堆。许多国家正在积极研发使用液体金属、气体等其他冷却剂的先进反应堆，主要为六种第四代堆。

核燃料循环方面，一是推进快堆研发，建设闭式燃料循环设施，快堆最高可将天然铀的利用率提高近60倍，快堆的商业化和广泛的应用将会对铀开采需求和放射性废物管理产生深远的影响。二是开发先进核燃料，提高现有反应堆的安全性和经济性。三是从乏燃料中提取有价值的放射性同位素。

此外，碳中和路径研究过程中强调，核电厂延寿是成本最低的发电方式之一，推进现有核电厂延寿运行，进而实现能源低碳转型。但是核电站寿命有限，核电站退役是未来能源研究必须考虑的因素之一。能源转型可能会导致铜、锂、钴、镍、锰等资源供应紧张，但是天然铀储备足以确保法国核电站几十年的供应。