發(fā)布時(shí)間：2021-03-18所屬分類(lèi)：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：應(yīng)用全能源鏈分析(PCA)和生命周期分析(LCA)方法,采用第一手調(diào)查數(shù)據(jù)和一些新的參數(shù),對(duì)我國(guó)核電能源鏈的生命周期溫室氣體排放進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)算.結(jié)果表明,現(xiàn)階段我國(guó)核電能源鏈(包括核燃料循環(huán)前段、核電站)的實(shí)際溫室氣體排放量為6.2gCO2,eq/(kWh),若考慮核
摘要：應(yīng)用全能源鏈分析(PCA)和生命周期分析(LCA)方法,采用第一手調(diào)查數(shù)據(jù)和一些新的參數(shù),對(duì)我國(guó)核電能源鏈的生命周期溫室氣體排放進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)算.結(jié)果表明,現(xiàn)階段我國(guó)核電能源鏈(包括核燃料循環(huán)前段、核電站)的實(shí)際溫室氣體排放量為6.2gCO2,eq/(kW·h),若考慮核燃料循環(huán)后段(乏燃料后處理與廢物處置)則總的溫室氣體排放量為11.9gCO2,eq/(kW·h).核電是低碳能源,發(fā)展核電代替一定規(guī)模的煤電提供一次能源,每1kW·h電力生產(chǎn)能夠減排大約1kg二氧化碳.推進(jìn)核電產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)升級(jí)和持續(xù)節(jié)能降耗,鼓勵(lì)材料再循環(huán)再利用,核電能源鏈的溫室氣體排放仍有進(jìn)一步降低的空間.
關(guān)鍵詞：核電;能源鏈;生命周期;溫室氣體排放
中國(guó)溫室氣體排放總量已位居世界第一,能源需求還在繼續(xù)增長(zhǎng),溫室氣體排放總量在一定時(shí)期內(nèi)還將進(jìn)一步增加.在整個(gè)能源中,發(fā)電能源排放溫室氣體總量超過(guò)40%.促進(jìn)發(fā)電能源部門(mén)的技術(shù)進(jìn)步和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,無(wú)疑是溫室氣體減排的重要著力點(diǎn).若只考慮發(fā)電廠能源轉(zhuǎn)化過(guò)程的直接溫室氣體排放,核發(fā)電本身不產(chǎn)生溫室氣體,核電是所謂的“零排放”電站,而實(shí)際上,核燃料的開(kāi)采、加工階段,電站建設(shè)、設(shè)備制造、運(yùn)輸和退役活動(dòng)也會(huì)消耗化石能源并產(chǎn)生溫室氣體排放.因此,在生命周期視角下,首先要考慮全能源鏈過(guò)程,即包括從燃料開(kāi)采,原材料加工、制造、運(yùn)輸,能源轉(zhuǎn)換(發(fā)電),到廢物處理和處置的全過(guò)程的(直接的)溫室氣體排放;其次也要考慮能源鏈系統(tǒng)及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施在建設(shè)、運(yùn)行和退役期間所消耗的能源和原材料(如鋼鐵、水泥等)在其開(kāi)采、加工制造過(guò)程產(chǎn)生的(間接的)溫室氣體排放.
20世紀(jì)90年代以來(lái),歐洲、美國(guó)、日本等國(guó)家對(duì)核電能源鏈(簡(jiǎn)稱(chēng)“核電鏈”)的生命周期溫室氣體排放開(kāi)展了較為廣泛的研究.歐洲國(guó)家對(duì)核電鏈的溫室氣體排放評(píng)價(jià)結(jié)果范圍為6~12gCO2,eq/(kW·h)[1],其中最小值是對(duì)法國(guó)的估算,假設(shè)使用了10%的MOX燃料(混合氧化燃料)并且100%由Eurodif(法國(guó)核燃料濃縮工廠)的擴(kuò)散廠生產(chǎn);最大值是對(duì)德國(guó)的估算,假定使用了13%的MOX燃料和綜合的鈾濃縮服務(wù),即10%來(lái)自USEC(美國(guó)鈾濃縮公司)的擴(kuò)散廠(由燃煤提供的電力)和將近70%的濃縮服務(wù)假定由基于離心技術(shù)的URENCO(鈾濃縮公司)工廠提供(其能耗水平比USEC擴(kuò)散廠低65倍).一些研究采用能源鏈分析法(PCA)計(jì)算了鈾礦開(kāi)采、冶煉及礦區(qū)恢復(fù),鈾轉(zhuǎn)化,鈾濃縮,燃料元件制造,運(yùn)輸,核電廠建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)及改造、退役等相關(guān)活動(dòng)中的能耗和溫室氣體排放.例如,Torfs等[2]計(jì)算(比利時(shí))核燃料循環(huán)上游由于直接的能源利用而產(chǎn)生的溫室氣體排放的范圍在4.7~13.6gCO2,eq/(kW·h).Voorspools等[3]計(jì)算(比利時(shí))核電廠建設(shè)、運(yùn)行和退役等階段的溫室氣體排放結(jié)果為1.8~4gCO2,eq/(kW·h).Tahara等[4]、Tokimatsu等[5]計(jì)算日本核電鏈的溫室氣體排放結(jié)果為1.8~20.9gCO2,eq/(kW·h).Ruether等[6]、Meier等[7]計(jì)算美國(guó)核電鏈溫室氣體排放結(jié)果為3~17gCO2,eq/(kW·h).還有一些研究基于整理公開(kāi)發(fā)表的生命周期分析結(jié)果對(duì)世界上核電鏈的溫室氣體排放平均水平進(jìn)行了評(píng)價(jià).例如,VanDeVate[8]、Weisser[9]的評(píng)價(jià)結(jié)果分別為8.9、2.8~24gCO2,eq/(kW·h).從國(guó)際上研究結(jié)果來(lái)看,核電鏈的溫室氣體排放主要發(fā)生在核燃料循環(huán)的上游和下游.不同研究結(jié)果的差異主要是由于系統(tǒng)邊界設(shè)定的不同,采用的能源和材料的碳排放因子也有區(qū)別.
中國(guó)具有完整的核燃料循環(huán)體系,涵蓋了鈾勘探、鈾生產(chǎn)、鈾濃縮、燃料組件制造、核電廠建設(shè)和運(yùn)營(yíng)、廢物處理和處置的完整核能產(chǎn)業(yè)鏈.馬忠海、潘自強(qiáng)等[10]基于20世紀(jì)90年代中期我國(guó)已投運(yùn)的國(guó)產(chǎn)堆型核電站(即秦山核電站)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和代表性的鈾礦開(kāi)采和冶煉的典型數(shù)據(jù),計(jì)算我國(guó)核電鏈的溫室氣體排放系數(shù)為13.7gCO2,eq/(kW·h).結(jié)果顯示:核電鏈各環(huán)節(jié)中,核電站運(yùn)行期間的溫室氣體排放最小,僅占14.5%,主要是由為維持核電正常運(yùn)行而引入的火電造成的(在計(jì)算涉及的火電時(shí),核電運(yùn)行期間的火電采用1996年供電煤耗410gce/(kW·h),其他設(shè)施均采用1985年的供電煤耗431gce/(kW·h));另一個(gè)重要來(lái)源是核電鏈相關(guān)設(shè)施建設(shè)過(guò)程中各類(lèi)建材在其制造過(guò)程中的溫室氣體排放,主要為水泥、碳鋼、銅和不銹鋼(合金鋼)等,這些因素占核電鏈的48.5%.
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),我國(guó)核電開(kāi)發(fā)處于批量化、規(guī)模化的快速發(fā)展階段,為適應(yīng)核電發(fā)展需要,核燃料產(chǎn)能和技術(shù)水平也有整體提升.目前,二代和二代改進(jìn)型壓水堆核電機(jī)組是我國(guó)掌握和成熟的主流核電技術(shù),已經(jīng)投入商運(yùn)的核電機(jī)組各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)處于世界中上等水平以上[11].天然鈾的生產(chǎn)技術(shù)最初以常規(guī)采冶工藝為主,現(xiàn)已廣泛采用地浸、堆浸技術(shù).鈾濃縮已完成氣體擴(kuò)散法向氣體離心法的過(guò)渡,相同產(chǎn)量產(chǎn)品的能耗大大降低.與此同時(shí),我國(guó)電力(火電)和其他工業(yè)行業(yè)(鋼鐵、水泥等)整體上提高能效而能耗水平逐年降低.可見(jiàn),近20年來(lái)我國(guó)核電鏈的溫室氣體排放情形已經(jīng)發(fā)生了新的變化.因此,有必要采用第一手調(diào)查結(jié)果和一些新的參數(shù),補(bǔ)充一些以往缺乏資料環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù),對(duì)我國(guó)核電鏈的生命周期溫室氣體排放做更全面的評(píng)價(jià).
1研究方法與范圍
1.1計(jì)算邊界
核電鏈的生命周期計(jì)算邊界見(jiàn)圖1.核電鏈系統(tǒng)及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施在建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)行和退役期間涉及到大量的建筑材料、原材料、能源(電力、燃料)消耗,按照“統(tǒng)計(jì)主要因素,忽略次要因素”的原則,只計(jì)算對(duì)溫室氣體排放貢獻(xiàn)較大的,對(duì)于歸一化消耗量很少或?qū)倻厥覛怏w排放貢獻(xiàn)極小的(低于千分之一時(shí)),認(rèn)為其可以忽略.
1.2核算范圍
本研究參考生命周期分析[12-13]和碳足跡評(píng)價(jià)[14-18]有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)研究分析后確定了對(duì)核電鏈的生命周期溫室氣體排放的核算范圍:(1)原材料變化過(guò)程中產(chǎn)生的(包括所有能源消耗導(dǎo)致的)排放、原材料開(kāi)采和提煉過(guò)程中以及產(chǎn)生的廢棄物導(dǎo)致的排放.(2)能源的供應(yīng)(包括電力和熱力的生產(chǎn))和使用過(guò)程(如煤燃燒)中產(chǎn)生的排放、上游排放(燃料開(kāi)采、加工以及運(yùn)輸至發(fā)電廠)、下游排放(如放射性廢物處理和處置過(guò)程).(3)制造以及提供服務(wù)過(guò)程中的排放(如核電主要設(shè)備和部件的加工制造).(4)保障運(yùn)行的設(shè)施的排放(如核電廠用于保障核安全和廠區(qū)工作生活的外購(gòu)電).(5)運(yùn)輸過(guò)程的排放(包括原材料、燃料、產(chǎn)品及廢棄物).(6)不予核算的內(nèi)容,包括人力使用導(dǎo)致的排放、消費(fèi)者導(dǎo)致的排放(如居民用電)、人員(上下班)的運(yùn)輸過(guò)程導(dǎo)致的排放等.
2計(jì)算結(jié)果
2.1鈾礦采冶
我國(guó)鈾礦采冶包括常規(guī)采冶、原地浸出、地表堆浸、原地爆破浸出等工藝.8家鈾礦冶單位的主要材料和耗電量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2[20],基于平均值(即所調(diào)查鈾礦冶單位的材料和能源消耗總量除以調(diào)查單位個(gè)數(shù))計(jì)算.鈾礦山的壽期按30a設(shè)定.鈾礦采冶(包括鈾純化)的溫室氣體排放量為2.33gCO2,eq/(kW·h),見(jiàn)表3.
2.2鈾轉(zhuǎn)化和鈾濃縮
鈾轉(zhuǎn)化是從精制UO2轉(zhuǎn)化到UF4和UF6的生產(chǎn).我國(guó)在甘肅礦區(qū)的鈾轉(zhuǎn)化生產(chǎn)廠采用干法工藝,已初步實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)和供應(yīng).鈾濃縮是從天然鈾生產(chǎn)濃縮鈾,主要工藝流程包括鈾氟化、同位素分離和還原三個(gè)部分.氣體擴(kuò)散技術(shù)是第一代工業(yè)鈾濃縮技術(shù),能耗很大(約2400kW·h/kgSWU);我國(guó)鈾濃縮已實(shí)現(xiàn)由氣體擴(kuò)散法向氣體離心法的過(guò)渡.氣體離心技術(shù)的能耗則低得多(約50kW·h/kgSWU).鈾轉(zhuǎn)化和鈾濃縮設(shè)施建設(shè)過(guò)程中主要材料的消耗量[10]:水泥為7.26×10-1g/(kW·h),碳鋼為1.17×10-1g/(kW·h),不銹鋼為9.08×10-4g/(kW·h),銅為3.09×10-2g/(kW·h),鋁為2.39×10-4g/(kW·h).按鈾濃縮生產(chǎn)能力500tSWU/a計(jì)算.鈾轉(zhuǎn)化和鈾濃縮的溫室氣體排放量為1.15gCO2,eq/(kW·h),見(jiàn)表4.
我國(guó)鈾濃縮的擴(kuò)散工藝已完成退役(簡(jiǎn)稱(chēng)“擴(kuò)散退役工程”).擴(kuò)散退役工程包括主工藝設(shè)施、化工設(shè)施和輔助工藝設(shè)施,共有16個(gè)放射性廠房和10個(gè)非放射性廠房,主要材料是水泥和金屬(其中鋼材占到金屬用量的90%以上),擴(kuò)散退役工程的溫室氣體排放量為7.9×10-2gCO2,eq/(kW·h),見(jiàn)表5.需要說(shuō)明,計(jì)算缺少能源消耗的統(tǒng)計(jì).
2.4核電站
目前我國(guó)主流核電技術(shù)是二代和二代改進(jìn)型的百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電機(jī)組.選取中國(guó)大陸第一座百萬(wàn)千瓦級(jí)大型商用核電站作為研究對(duì)象——以大亞灣核電站為例.核電站建設(shè)施工階段消耗的主要材料見(jiàn)表6.反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、堆內(nèi)構(gòu)件等主要設(shè)備鍛件在其生產(chǎn)加工過(guò)程中的耗電量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表7.核電站運(yùn)行期間仍需有部分外購(gòu)電作為補(bǔ)充,主要用于(在機(jī)組主變檢修或外部主電源失去情況下)保障提供廠用電和反應(yīng)堆安全停堆用電,以及向核電站廠區(qū)辦公和生活設(shè)施供電.外購(gòu)電情況見(jiàn)表8,扣除向其他核電工程施工提供的用電量,大亞灣核電站年均外購(gòu)電約為1.39×107kW·h.核電站生產(chǎn)運(yùn)行期間的能耗、負(fù)荷因子和發(fā)電量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表9.
核電站的壽期設(shè)定為60年[19](目前我國(guó)已建核電站的設(shè)計(jì)壽命均為40年,在建核電站有設(shè)計(jì)壽命40年和60年兩種,其中采用EPR和AP1000三代技術(shù)的核電站設(shè)計(jì)壽命均為60年),這是因?yàn)?世界上很多國(guó)家已經(jīng)以法律的形式批準(zhǔn)了一批核電機(jī)組延壽,例如美國(guó)已有50座左右的核電機(jī)組完成了將壽命延長(zhǎng)到60年的運(yùn)行執(zhí)照更新,韓國(guó)通過(guò)修訂定期安全評(píng)審(PSR)的法規(guī)將核電站壽命由60年提高至80年.IAEA對(duì)此持肯定態(tài)度并正在開(kāi)展旨在延長(zhǎng)全球在役核電機(jī)組壽命項(xiàng)目(將壽命從40年延長(zhǎng)到60年).所以從技術(shù)層面,核電站的壽期可以達(dá)到60年.
2.5乏燃料后處理
對(duì)反應(yīng)堆乏燃料后處理是回收乏燃料中未燃盡的235U和新生的239Pu等易裂變材料,將鈾、钚與裂片元素和其他次要錒系元素分離,鈾、钚返回反應(yīng)堆循環(huán)利用,而廢物做進(jìn)一步的處理和處置.目前世界上普遍采用的后處理技術(shù)是水法Purex流程.我國(guó)動(dòng)力堆核燃料循環(huán)采取后處理的技術(shù)路線,目前核電乏燃料后處理中間試驗(yàn)廠(簡(jiǎn)稱(chēng)“中試廠”)已建成并完成熱試,但中試廠不同于工業(yè)規(guī)模商用核電乏燃料后處理廠,其不僅處理能力小,開(kāi)工率無(wú)要求,而且還需兼容新工藝新技術(shù)的研發(fā)試驗(yàn).我國(guó)商用的大型乏燃料后處理廠處于立項(xiàng)和籌建階段,目前難以估計(jì)其建設(shè)施工的材料和能源消耗量.國(guó)際上,Rotty等[21]報(bào)道了1000MW輕水堆(LWR)乏燃料后處理的能耗水平:(電)能耗為30GW·he/a,(熱)能耗為150GW·hth/a,合計(jì)約為80GW·he/a.可以認(rèn)為,我國(guó)未來(lái)建設(shè)的乏燃料后處理廠的能耗水平也在此范圍內(nèi),據(jù)此估算乏燃料后處理設(shè)施運(yùn)行期間的溫室氣體排放量約為5.29gCO2,eq/(kW·h).
2.6廢物處置
我國(guó)已在西北和廣東建成了兩座低、中放固體廢物處置場(chǎng),對(duì)于高放固體廢物采取深地質(zhì)處置方案,預(yù)計(jì)在21世紀(jì)中葉建成一座國(guó)家深地質(zhì)處置庫(kù),目前尚難以估計(jì)其建設(shè)施工和運(yùn)行期間的材料和能源消耗量.參考英國(guó)核工業(yè)放射性廢物處置公司(NIREX)給出的對(duì)高放廢物(HLW)、中放/低放廢物(ILW/LLW)處置中的基建能耗和電力消耗數(shù)據(jù)[21],見(jiàn)表11.假定核電站反應(yīng)堆卸下的乏燃料最終全部作為高放廢物處置,并且沒(méi)有考慮乏燃料臨時(shí)貯存期間(簡(jiǎn)稱(chēng)“臨時(shí)貯存”)運(yùn)行和維護(hù)的能耗,則保守估計(jì)廢物處置的溫室氣體排放量為4.33×10-1gCO2,eq/(kW·h).需要說(shuō)明,世界上還沒(méi)有建成的高放廢物處置庫(kù),放射性廢物處置的能耗數(shù)據(jù)和溫室氣體排放量都是較粗略的估計(jì)值.——論文作者：姜子英1*,潘自強(qiáng)2,邢江3,於凡
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