摘 要：建立了用于分析我国核电环境影响的全生命周期评价模型，基于公开发表的文献数据计算我国核电全生命周期CO2排放，并对核电生产带来的放射性排放进行分析。结果表明，我国核电全生命周期CO2排放量为12.19g/kWh，在“燃料开采”和“废弃处理”环节的CO2排放量占比最高，核电全生命周期对公众的放射性排放量为4.62人.Sv/（GWa）。基于此，核电产业应利用合理模型和透明数据，定量分析核电技术的环境优势，提高公众对核电的接受度;加快核电生命周期各环节的技术升级与进步，降低相关行业的整体能耗水平;对各环节物料进行循环再利用，减少温室气体及放射性排放。
关键词：核电 全生命周期评价模型 CO2排放 放射性
一、引言
近年来，我国核电、风电、光伏发电等清洁能源发电量增速较快，消纳水平也不断提高。2019年，全国全口径发电量、清洁能源发电量分别为7.33万亿kWh和2.39万亿kWh，同比增长分别为4.7%和10.4%。其中，核电发电量为3487亿kWh，同比增长8.6%;风电发电量为4057亿kWh，同比增长10.9%;光伏发电量为2238亿kWh，同比增长26.5%[1]。
为了适应低碳化能源结构转型、进而实现2060年碳中和的目标，我国的电力供应体系将持续优化。在装机容量方面，预计煤电装机容量逐步下降;气电装机容量不断增长，迎来新的发展机遇;水电装机容量增速下降，但仍将平稳增长;核电、风电和光伏发电等清洁能源的装机量将快速增长，替代传统火电的趋势明显。预计2035年，清洁能源装机容量为20.2亿kW，较2017年新增12.5亿kW，占新增装机容量的78%;2050年，清洁能源装机容量达到33.9亿kW，较2017年新增26.2亿kW，占新增装机容量的91%[2]。
在发展核电的过程中，核电带来何种水平的环境影响、核电的环境影响如何与其他发电方式相比对，是国内外业界十分关注的问题。国外有一些研究采用全能源链分析法（PCA）计算了从铀矿开采、冶炼、铀浓缩、燃料元件制造、运输、核电厂建造、运行、退役等相关活动中的能耗和温室气体的排放。Beerten等使用生命周期分析法（LCA）计算了核燃料循环的温室气体排放，分析了整个核燃料循环过程中的温室气体排放，计算了比利时核燃料循环前端产生的温室气体排放[3];Voorspools等采用生命周期分析法、全能源链分析法计算了比利时核电厂建造、运行和退役阶段的温室气体排放，并与风电站、光伏电站、化石燃料发电站的计算结果进行了对比[4];Tahara采用生命周期分析法计算了日本可再生能源发电厂（核电、水电和光伏发电）以及传统化石能源发电厂（煤炭、石油和液化天然气）在建设过程中的二氧化碳排放量[5];Tokimatsu使用全能源链分析法计算了日本托卡马克聚变反应堆核电站的整个核燃料循环过程中的二氧化碳排放量，并与其他类型反应堆、日本目前使用的其他发电能源进行了比较[6];Meier等使用生命周期分析法计算了化石能源发电（煤炭、石油）、核能与可再生能源发电全生命周期内的二氧化碳排放量，并评估不同燃料结构来应对美国电力行业不同水平的碳排放限制的可行性[7];Siddiqui等使用生命周期分析法分析了加拿大安大略省的核电全生命周期对环境产生的影响，其中包括二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物和颗粒物等指标，并与风电、水电全生命周期对环境产生的影响进行比较[8];Weisser基于公开发表的结果，综述和比较了近年来化石能源、核能与可再生能源发电技术的全生命周期的温室气体排放量[9];Fthenakis和Kim使用生命周期分析法计算了欧洲、美国等地区核电生命周期中温室气体排放量的低、中、高结果，并认为其差异源于铀浓缩、核电厂建造及运营等方面的不同[10]。
国内关于核电链对环境影响的研究开展得较早。马忠海等使用我国90年代中期已投运的秦山核电站和铀矿开采与冶炼的典型数据，估算了我国核电链的温室气体排放系数，计算了核电链中主要相关材料的温室气体排放系数、各环节的温室气体排放系数[11，12];姜子英建立了核电链的外部成本计量框架，计算了核电链各环节的放射性流出物排放以及核设施在建造和运行维护期间间接排放的非放射性大气污染物[13];宋海涛与瞿惠红等分析了核电链全生命周期的温室气体排放，并分析了在不同碳排放价格下，核电在生命周期内碳排放对电价的影响[14];刘胜强基于国内外资料文献，核算了核电生命周期温室气体排放系数的变化区间，并与火电进行了对比分析[15];周杰与周溪峤通过计算核电生产和使用过程中的排放、污染和资源消耗量，运用归一化的综合指标分析了核电全生命周期造成的环境负荷[16];姜子英等使用全能源链分析法和生命周期分析法，对我国核电链的生命周期温室气体排放进行分析，计算了现阶段我国核电链的总温室气体排放量[17];杨端节等结合厂址环境特征，对我国2001-2013年期间我国核电链生命周期放射性排放进行了评估与比较，并提出了一些建议[18]。
目前，国外的研究分析偏重其所在国家或全球的情况，但是各个国家的情况与中国的情况并不完全一致，全球的情况则侧重宏觀或者文献综述。国内的研究工作方面，有一部分基于较早期的数据，而当时相关技术尚未成熟，比如近年来铀矿开采与冶炼技术的提高已减少核电链生命周期温室气体的排放，另一部分是以方法学和有限案例的方式开展。此外，已有研究往往只研究核电链生命周期的温室气体排放、常规污染物排放、放射性排放其中一种参数，关注的环境影响评价指标不够全面。
基于上述情况，本研究采用归一排放标准分析模型，即全生命周期分析模型，基于公开发表的文献数据，分析核电生产各个环节的能源消耗、物料消耗，据此计算每千瓦时核电对应的温室气体排放，并根据公开发表的文献数据，对放射性排放进行比对分析，为核电与其他电力能源形式的生命周期评价的比较奠定基础。
二、研究方法
（一）分析模型
本研究采用清华大学核能与新能源技术研究院开发的全生命周期评价模型和计算方法，考虑核电生产各阶段的完整生命周期和边界划分，包括“燃料周期”和“电厂周期”。“燃料周期”包括“燃料开采”、“燃料运输”“发电运行”和“废弃处理”四个部分;“电厂周期”包括“设备生产”、“设备运输”、“電厂建造”、“电厂运行”和“电厂退役”五个部分。以温室气体排放的评价为例，“燃料周期”和“电厂周期”各个环节的具体活动如下图1所示。
1.燃料周期
“燃料周期”中的“燃料开采”环节较为复杂，可细分为“铀矿采冶”、“铀转化”、“铀浓缩”、“燃料元件制造”等环节，“燃料开采”也是耗能和耗材最多的环节，需要获取这些环节所消耗的能源和材料量。
“燃料运输”包括以下物料的转运和运输：铀矿冶系统的铀矿石及其加工后的浓缩物，铀精制转化阶段的铀化合物，反应堆使用的新燃料元件，卸出的乏燃料组件等。由于核燃料的能量密度高（一座百万千瓦级的压水堆核电机组，每年仅耗用约25t核燃料），相比煤电的煤炭运输量，运输过程对核电链温室气体排放的整体贡献是相当小的，因此可以忽略[17]。
“发电运行”环节关注燃料在发电时是否排放以及排放多少温室气体，由于核燃料在裂变过程中不排放温室气体，因而核电在这一环节的温室气体排放为零。
“废弃处理”环节关注燃料利用后产生的废弃物的处理方式及其对环境的影响。在我国采用闭式循环的政策前提下，核燃料的这一环节会涉及“乏燃料后处理”和“废物处置”两个子环节。“乏燃料后处理”的目的是回收乏燃料中未反应的235U和新增殖的239Pu等易裂变材料，并将其送回反应堆循环利用，因而，需要将铀、钚与裂变产物（包括次锕系元素）分离，并对分离之后的废物做进一步的处理和处置。目前，我国还没有建成商用的大型乏燃料后处理厂，因此，还缺乏此环节的直接排放数据。“废物处置”是指对核电站运行以及乏燃料后处理过程中产生的低、中、高放射性废物进行处置，相关数据在我国也较为缺乏。本研究中，“废弃处理”环节的温室气体排放系数采用文献中的结论性数据。
2.电厂周期
“电厂周期”包括“设备生产”、“设备运输”、“电厂建造”、“电厂运行”、“电厂退役”五个环节。
核电站由众多大型设备和系统组成，设备生产制造环节需要消耗较多的材料和能源，如钢材和电力，因此，“设备生产”环节的温室气体排放应予以考虑。
核电站的大型设备需要从设备制造厂运至核电厂址，姜子英的研究指出：“设备运输”环节的排放所占比重很小[17]。因此，如果运输过程的数据可以获取，该环节的排放可以予以考虑，在数据无法获取的情况下，则可以忽略。
核电站的建造要消耗大量的材料和能源，因此，“电厂建造”环节的温室气体排放应予以考虑。
核电站运行期间，厂用电和厂区生活用电由外电网提供，而这部分外购电量以火电为主，因此，其带来的温室气体排放需要予以考虑。
“电厂退役”环节是核电站生命周期的最后一个阶段。在该阶段，需要对被放射性沾污的部件进行去污处理。正式退役之前，通常还需要对核电站设置几十年不等的“安全封闭期”，以使短寿命放射性核素衰变，从而降低其放射性活度。乏燃料临时贮存、核电站安全封闭和退役活动中都有能源和材料的消耗，因而也会产生温室气体排放。目前，国内外的研究中都缺乏上述过程的能量消耗数据。Voorspools的研究指出：估计核电站退役的能源消耗是建造核电站的30%—50%，但这取决于具体的退役方案和安全封闭期的长短，有很大的不确定性，因而这样的估计可能不具有代表性[19]。而且退役阶段的排放还取决于废物管理和废物处置的具体政策。Fthenakis和Kim计算的美国核电站退役环节的碳排放为1.3g/kWh[10];Hondo给出日本实际核电站退役环节的碳排放为0.4g/kWh[20];悉尼大学的研究指出：澳大利亚轻水堆和重水堆核电站退役环节的碳排放分别为0.1—1.3g/kWh和0.1—1.2g/kWh[21]。以上文献显示核电站退役的碳排放量在2g/kWh以下。但是也有研究指出，核电站退役的碳排放量超过30g/kWh。Storm和Smith的研究估计世界范围现有反应堆在核电站退役环节的碳排放量为39.5—49.1g/kWh[22]。鉴于上述情况，在前面几个文献中“电厂退役”环节的温室气体排放的范围是0.1—1.3g/kWh，本研究中取其上限值1.3g/kWh作为该环节的温室气体排放进行分析。
（二）计算方法
1.温室气体排放计算
“燃料周期”和“电厂周期”各环节涉及两种形式的消耗，即能源消耗（如煤、油、气）和材料消耗（如水泥、钢材、有色金属、化学品），上述消耗带来温室气体的排放。核电链生命周期温室气体排放量的计算公式如下：
TE=∑mn[∑qp（ADp×EFe）+∑ji=1DEi]
式中：
TE：温室气体的排放总量;
ADp：第n阶段中第p类能源活动水平;
EFe：相应能源形式的排放因子;
DEi：第n阶段中第i类材料/部件等引起的排放，该排放量等于该类材料/部件等的消耗量乘以生产一单位的这类材料/部件所排放的温室气体量;
上述计算结果可以归一化到单位发电量，即生产单位kWh电量排放的温室气体，其单位为g.CO2/kWh。
对于能源消耗带来的排放，最关键的是要获取各个阶段中各类能源的活动水平ADp，即消耗量，以及这些能源的排放因子EFe。对于材料消耗带来的排放，最关键的是获取各个阶段各类材料的消耗量以及各种材料的排放因子EFe。在上述基础上，可计算各类能源消耗和材料消耗带来的全生命周期温室气体排放。
通过前期研究，已获得了统一的能源排放因子EFe，具体为：煤炭、石油、天然气、成品油等终端能源强度数据来自清华大学开发的TLCAM模型[23，24];钢铁、水泥等物料强度来自ebalance软件CLCD数据库[25]和ecoinvent数据库[26]。其中，终端能源强度数据为基于中国实际的最新数据，物料强度数据则尽量采用数据库中的中国本土化数据。
2.放射性排放计算
除了温室气体，核能的生产可能向环境释放放射性物质，从而对公众产生辐射照射。如上文所述，核电全生命周期包括“燃料周期”和“电厂周期”，在全面评价辐射对环境造成的影响时，不仅要考虑核电链各环节放射性物质的直接排放，而且要考虑核电站建造和核燃料制造所用原材料产生的放射性物质的间接排放。因此，核电链所致公众的集体剂量，重点考虑铀矿开采和水冶、铀纯化和转化、铀同位素分离、核燃料元件制造、核电厂运行、燃料后处理和固体废物处置等环节的直接放射性流出物排放造成的辐射环境影响，以及所消耗材料（水泥和钢铁）和能源所致的间接放射性排放造成的辐射环境影响[27]。
对于核电带来的放射性排放，本文引用《不同发电能源排放的放射性影响评价》中关于核电链放射性物质排放所致的公众归一化集体剂量数据、但是采用本文划分的核电全生命周期阶段来加以分析。
三、核电全生命周期温室气体排放计算
以广东大亚湾核电站为参考案例，得到全生命周期各个环节的能源消耗和物料消耗，如电耗、煤、水泥、碳钢、不锈钢等。大亚湾核电站的基本参数如表1所示。
对物料使用的衡量，需要将不同来源的数据作归一化处理。LCA评价涉及大量的定量计算，为了便于计算和比较，需要赋予各环节相同的功能单位。在燃料周期，以一吨235U为LCA的功能单位，因此，燃料周期各阶段的物料和能源用量表示为生产一吨235U的消耗量;在电厂周期，以1kW的装机容量作为功能单位，将电厂周期各阶段的物料和能源用量表示为核电机组单位装机容量的消耗量。
在文獻调研和整理的基础上，本文按照所开发的LCA模型，得到模型各环节所需要的数据。核电全生命周期的能源和材料消耗清单如表2所示。
在本研究所开发的LCA模型中，已包含了不同能源和材料的碳排放因子（即每生产一单位的能源或材料所导致的温室气体排放量），不同能源形式的碳排放因子见表3，不同材料的碳排放因子见表4。在表2所列的核电全生命周期各个子阶段能源/材料消耗量的基础上，利用本模型中的碳排放因子，并考虑负荷因子和能量转换效率，以1kWh的发电量作为LCA各子阶段的功能单位，计算得到核电全生命周期各个子阶段的温室气体排放系数，如表5所示。本研究得到的核电全生命周期的温室气体排放系数为12.19g/kWh。
本研究所获得的12.19gCO2e/kWh在“燃料开采”“废弃处理”“设备生产”“电厂建造”“电厂运行”几个环节的比重如图2所示。
由图2可见，约76%的排放来自“燃料开采”和“废弃处理”环节。“燃料开采”环节包括“铀矿采冶”“转化和铀浓缩”“铀浓缩扩散退役工程”和“燃料元件制造”5个子环节;“废弃处理”则包括“乏燃料后处理”和“废物处置”。“乏燃料后处理”是核燃料闭合循环后端中的关键一环，按照国际上后处理工艺的一般能耗水平进行估算，这一环节的排放估计为5.29gCO2e/kWh[17];在“废物处置”环节，要把放射性废物贮存在经过批准的设施中，利用多重屏障保证其不会对人类和环境造成辐射危害，假定卸下的乏燃料全部为高放废物，保守估计这一环节的排放为0.433gCO2e/kWh[17]。上述两者合计为5.72gCO2e/kWh。13%的排放来自“电厂建造”和“电厂运行”环节;“电厂建造”环节主要消耗水泥、钢材、铜、铝等材料;“电厂运行”环节主要需要外购一部分电力用于检修或外部主电源失去情况下，提供厂用电和反应堆安全停堆用电，以及向核电站厂区办公和生活设施供电;约10.6%的排放来自“电厂退役”环节，它是核电站生命周期的最后一个阶段。在该阶段，需要对被放射性沾污的部件进行去污处理。
由上述比重分析可知，“燃料开采”和“废弃处理”这两个环节比重最大，因此，选择这两个环节开展敏感性分析。敏感性分析结果如图3：
将“燃料开采”和“废弃处理”环节的温室气体排放系数分别乘以0.9、0.95、1.05和1.1这样的参数，分别计算该情况下总的温室气体排放系数，结果如图3所示。可以看出，“废弃处理”环节的温室气体排放系数的变化对总的温室气体排放系数影响更大，对该环节采取减少温室气体排放的措施，效果会更好一些。
四、核电全生命周期放射性排放分析
通过文献调研，获得了关于核电链排放的放射性影响的结论性数据。按照本研究所开发的LCA模型，核电全生命周期各个阶段的放射性排放如表6所示。
由图4可见，核电放射性排放的绝大部分剂量贡献来自“燃料开采”环节，特别是铀矿开采和水冶环节，近年来，铀矿采冶工艺技术的改进，特别是采用地浸采铀工艺的比例上升，中国铀矿冶生产的集体有效剂量显著下降。
五、相关研究对比分析
对于温室气体排放，采用本文LCA模型计算结果为12.19gCO2e/kWh，和其它文献研究结果的比对见表7。
由此可见，本研究中温室气体排放系数的计算结果12.19gCO2e/kWh在文献范围7.79—55gCO2e/kWh之内。对于放射性排放，不同研究结果的比对见表8。总体来看，本研究对公众的放射性排放量4.62人.Sv/（GWa）在文献范围1.7—4.63人.Sv/（GWa）之间。
六、研究结论和政策建议
本研究结合核电行业的铀矿开采和加工、燃料元件制造、核电站建设、核电运行、核电退役及废物处理等环节，建立了分析我国核电环境影响的全生命周期模型。应用LCA方法评估了每千瓦时核电全生命周期CO2排放及放射性排放，并分析了核电全生命周期碳排放与放射性排放关键影响因素。研究表明，在全生命周期视角下，从单位发电量碳排放来看，我国核电链的温室气体排放量为12.19gCO2e/kWh，其中约85%的排放来自“燃料开采”和“废弃处理”环节，15%的排放来自“电厂建造”和“电厂运行”环节。从单位发电量放射性排放来看，我国核电链生命周期放射性物质排放所致归一化公众集体剂量是4.62（人.Sv/（GWa），核电放射性排放的绝大部分剂量贡献来自燃料开采环节，约占87%，特别是燃料开采环节中的铀矿开采和水冶环节。
基于以上分析，对核电的发展及未来电力系统清洁低碳转型的政策建议如下。
第一，利用合理的核电环境影响的全生命周期模型和透明的数据，定量分析核电的优势。在全球能源转型的背景下，这有利于国家对于未来电力系统的清洁低碳转型做出正确的决策，也有助于我国先进核电技术的海外输出。同时，在数据的支持下，可以更好地向公众进行核知识科普，减少公众的误解和偏见，提高公众对核电的接受度。
第二，加快核电生命周期各环节的技术进步与升级。特别是降低燃料开采和废气处理等环节的碳排放，提高燃料开采环节的技术水平，减少放射性排放。此外，核电全生命周期的各个子阶段有大量的能源/物料消耗，例如碳钢、不锈钢、水泥、铜等。目前，我国相关行业的整体能耗水平相较于国际先进水平仍有一定差距。如果可以通过行业的技术进步和升级，降低该行业的整体能耗水平，那么核电的“设备生产”、“电站建造”等环节的温室气体排放也可以大量减少。
第三，对核电生命周期各环節物料进行循环再利用。核电链系统各环节中的大部分物料的放射性核素污染水平都很低，可以进行再利用，避免物料的大量浪费以及提高其利用效率，特别是退役环节中的大量物料都可以进行循环再利用。对于这些物料的循环再利用，可以减少废物产生和大幅度节约资源，减少温室气体的排放。
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