核電度電碳排放最低，能量密度高，是穩定基荷電源，正逐漸被越來越多國家認可
文｜吳迪
在當前能源清潔轉型大背景下，全球越來越多國家開始重視核電。
核電作為清潔低碳、穩定高效的能源形式，不僅可以減少溫室氣體排放，助力各國實現應對氣候變化目標，還可以降低對進口化石能源依賴，保障能源供應安全。核電作為穩定大功率發電設施，可以滿足全球電氣化電力增長需求，以及以大資料設施為代表的人工智慧等新興技術用電需求。
2023年12月，第28屆聯合國氣候變化大會（COP 28）上，包括美、英、法、加等在內的25個國家簽署《全球三倍核能宣言》（下稱《宣言》），承諾到2050年將全球核電裝機容量增加2倍，達到目前容量的3倍。2024年12月，第29屆聯合國氣候變化大會（COP 29），又有土耳其、哈薩克等6個國家加入了《宣言》，總簽署國數量達到31個。本文將梳理全球核電發展態勢和中國核電發展現狀與展望，並提出中國核電未來發展相關建議。
截至2024年底，全球在運核電機組417臺，總裝機3.77億千瓦，核電全年總髮電量約為2.7萬億千瓦時，約佔全球總髮電量的9%，是全球第二大清潔電源，僅次於水電。
其中，核電在法國、斯洛伐克、烏克蘭的電力結構中佔比最大，2023年核電發電量佔比分別達到65%、63%、50%。核電在美國、俄羅斯、英國的電力結構中佔比同樣比較大，分別達到18%、18%、14%，均高於世界平均水平。核電在中國、印度等國電力結構中佔比較低，不超過5%。
目前，全球核電發展以壓水堆和沸水堆為主，在全球417個核電反應堆中，壓水堆308個，佔比73.7%；沸水堆43個，佔比10.3%。
相對於傳統化石能源和可再生能源，核電在能源供應、環境影響、技術成熟度等方面具有諸多優勢。
首先，核電是清潔低碳電源，其度電碳排放量在所有能源中最低。根據生態環境部發布的2023年主要發電型別電力碳足跡因子情況，核電度電二氧化碳排放量僅為6.5克，比化石能源低2個數量級，比可再生能源發電低1個數量級（光電、風電和水電度電二氧化碳排放分別為54.5克、33.6克、14.3克）。
從國別比較中也可以看出核電的清潔低碳優勢，以核電為主的法國2022年人均碳排量為4.1噸，而以新能源為主的德國人均碳排放量卻高達7.3噸，幾乎是法國的2倍。
其次，核電燃料能量密度高。一般來說，1噸鈾可生產約4400萬千瓦時電量，而同樣的發電量需要消耗2萬多噸煤炭或者850萬立方米天然氣。高能量密度也使得核電站土地利用效率高。以風電場為例，裝機容量為100萬千瓦的風電場需要佔地近600平方公里，而裝機容量接近200萬千瓦的大亞灣核電站佔地面積僅為2平方公里。
此外，核電站是穩定的基荷電源，利用小時數高，度電成本較低。據中電聯釋出的6000千瓦及以上發電裝置利用小時的資料，2024年中國的核電利用小時數為7683小時，分別約為併網太陽能和風電的6.3倍和3.6倍。核電發電量受天氣、季節等外部因素影響較小。由於核電燃料能量密度高，換料週期長，全年利用小時數高，使核電度電成本較低，相對於傳統火電具有成本優勢。
核電上述優勢正逐漸被越來越多國家認可。
並且美國計劃到2035年新增3500萬千瓦的核電裝機，到2050核電新增裝機量達到2億千瓦，以如期實現核電3倍增長目標。美國2022年透過的《通脹削減法案》還為核電提供了每千瓦時0.3美分的生產稅收抵免（PTC），如果核電滿足薪資和工人培訓要求，則抵免額度提高到1.5美分/千瓦時。
日本正積極推動國核心電重啟，目標將核電發電量佔比從2023年的9%提升至2030年的20%。在2011年福島核事故後關停的54臺商業核電機組中，已經有14臺機組重啟，另外還有11臺機組即將獲批重啟。
英國計劃到2050年將核電裝機增加至2400萬千瓦，佔總發電量比重的25%。俄羅斯計劃將核電發電量佔比從2023年的18.9%提升至2042年的24%。為了實現煤電的逐步退出，波蘭計劃在2033年投產首臺核電機組，到2043年核電機組達到600萬-900萬千瓦。
2023年全球核電投資為650億美元，約是十年前的2倍，其中有420億美元是投資新建核電機組。截至2024年底，全球在建核電機組63臺，總裝機容量約7100萬千瓦。其中，中國、印度、土耳其、埃及、俄羅斯在建機組裝機容量位居世界前列。
近年來，隨著“雙碳”目標深入推進和核電技術進步，中國積極安全有序發展核電。
“十四五”前四年，中國已經核准36臺核電機組。自2022年以來，連續三年核准核電機組超過十臺。《“十四五”現代能源體系規劃》提出要積極安全有序發展核電，保持平穩建設節奏，開展核能綜合利用示範，推動核能在清潔供暖、工業供熱、海水淡化等領域的綜合利用。到2025年，中國在運核電裝機預計達到6800萬千瓦。
截至2024年底，中國併網執行核電機組共58臺（不含臺灣地區），總裝機容量為6088萬千瓦，機組數量僅次於美國的94臺，位居世界第二位，總裝機容量僅次於美國9695萬千瓦和法國6302萬千瓦，位居世界第三位。
2024年，中國核電全年累計發電量為4452億千瓦時，同比上升2.72%，約佔全國累計發電量的4.73%。截至2024年底，中國在建核電機組27臺，全部為壓水堆機組，總裝機容量3231萬千瓦，位居全球第一。中國在運、在建和核準待建核電機組共有102臺，總裝機容量1.13億千瓦，連續第二年位居全球首位。
廣東省、福建省、浙江省等東部沿海省份是中國核電發展的主力軍。
廣東省運和在建核電裝機分別為1614萬千瓦和716萬千瓦，均位居全國第一。廣東省提出發揮產業集聚效應，推動核技術應用產業鏈上下游向廣東集聚，到2025年，核電裝機規模達到1854萬千瓦。
福建省提出安全高效發展核電，以發展核電為主要舉措大力發展清潔能源，積極參與快中子堆、高溫氣冷堆等國家核電前沿技術的研發與示範。
浙江省提出夯實核電作為本省中長期主力電源的戰略地位，採用先進成熟技術路線，按照連續建設要求，逐年安排專案，到2025年，核電在運裝機超過1000萬千瓦。
江蘇省提出按照千萬千瓦級核電基地規劃目標，在確保安全的前提下，積極有序推進核電專案建設。
山東省是中國首個實現跨地市核能供熱的省份，國家電投“暖核一號”三期核能供熱專案在2023年正式投運，在給煙臺海陽市供暖的同時，供暖區域延伸至威海乳山市，實現零碳熱源的跨區域互通共享，開啟國核心能“雙城”供熱模式。
中國核能行業協會還呼籲最佳化核電佈局，針對電力供應缺口問題突出的華中省份，儘快啟動內陸核電專案建設。中部地區位於能源供應的末端，水電資源已開發，在運煤電機組多，風光資源不具備基地型開發條件，核電成為實現能源可持續供應和替代煤電的較好選擇，對保障中部省份持續增長的用電需求、最佳化電源結構能起到重要作用。
受2011年日本福島核事件影響，暫停的湖南桃花江、湖北咸寧、江西彭澤三個內陸核電專案，均已完成專案審批與核准所需的工作，累計已投入超過120億元，具備成為發展首批內部核電的良好條件。
國內外多家機構對中國核電發展前景持積極樂觀態度。
根據國際能源署（IEA）的預測，在承諾目標情景下，中國核電裝機在2030年達到約1.2億千瓦，在2050年達到約2.8億千瓦；在淨零排放情景下，中國核電裝機在2030年達到約1.5億千瓦，在2050年達到3.3億千瓦。
中國核能行業協會預測到2030前，中國在運核電裝機規模有望超過美國成為世界第一，在世界核電產業格局中佔據更加重要的地位。預計到2035年，我國核能發電量在總髮電量的佔比將達到10%，相比目前的水平翻倍。華北電力大學則預測中國核電到2030年達到1億-1.2億千瓦，到2060年達到3億-3.5億千瓦。
積極安全有序發展核電，將核電作為實現“雙碳”目標的重要支撐力量。中國應科學規劃核電站佈局，優先考慮經濟發達、電力需求大的沿海地區，同時在內陸地區因地制宜推動核電發展試點，逐步擴大核電覆蓋範圍。
核電發展必須以安全為前提，堅持“安全至上”原則。在核電站選址、設計、建造、執行等全生命週期中貫徹嚴格的安全標準，引入國際先進經驗，增強核電安全文化。
政府應加大對核電技術研發的資金支援，設立專項科研基金，鼓勵科研機構和企業開展關鍵技術攻關，確保中國在全球核電技術競爭中保持領先地位。建立以企業為主體、高校和科研機構為支撐的產學研合作創新體系，促進核電技術創新成果的快速轉化和應用。
此外，與國際原子能機構（IAEA）及相關國家和機構開展合作，積極參與核能技術標準制定和核電專案建設，擴大中國核電技術和裝備的出口，增強國際影響力。
透過科普教育、公眾開放日等形式，增強社會對核電的認知和接受度。在核電專案規劃階段積極徵求公眾意見，提高透明度和參與度，營造良好的社會氛圍。透過發展核電與光伏、風電等可再生能源形成互補，共同構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系。
加強第四代核反應堆技術的研發和應用。第四代核反應堆主要包括氣冷快堆、鉛冷快堆、鈉冷快堆、熔鹽堆、超臨界水堆和（超）高溫氣冷堆，它們相較於前幾代反應堆，在安全性、經濟性、可持續性等多方面具有更大的優勢。
首先，第四代核反應堆具有固有的安全性，比如依靠自然對流、重力和熱傳導來實現冷卻，而不是依賴複雜的外部冷卻系統。
例如，中國投產的全球首個高溫氣冷堆採用耐高溫的包覆顆粒燃料和大熱容量的石墨慢化劑，在事故工況下，能長時間保持堆芯完整性，有效匯出熱量。熔鹽堆則設計了應急排鹽系統，當反應堆的堆芯超過預設溫度時，作為冷卻劑與燃料的熔鹽，會在重力作用下流入應急儲罐，使核反應停止。
其次，以快堆和熔鹽堆為代表的第四代核反應堆能夠實現燃料增殖和嬗變，對提高核燃料的利用效率、減少核廢料的放射性危害以及實現可持續核能發展具有重要意義。
燃料增殖是透過中子與某些可轉換材料（如鈾-238或釷-232）反應，將這些材料轉化為新的、可裂變的核燃料（如鈽-239或鈾-233），使反應堆產生的裂變燃料量超過其消耗量。燃料增殖可以使鈾資源的利用率提高60倍以上。嬗變可以透過核反應將長壽命、高放射性的核廢料（如錒系元素或某些裂變產物）轉變為壽命較短或低放射性的元素，從而減少核廢料的總量和毒性，使其對環境的影響時間縮短300倍，廢物量也減少1個-2個數量級。
此外，第四代核反應堆的出口溫度更高，開闢了更廣闊的工業和社會應用場景。目前在運的大型壓水堆核電機組的出口溫度一般在300°C左右，遠不及出口溫度可達600°C的超超臨界火電機組，在發電的同時只能滿足部分中低溫熱負荷需求。而第四代核反應堆的出口溫度一般可以達到500°C-1000°C，在鋼鐵、化工、水泥、制氫等領域有廣闊的應用前景。
第四代核反應堆還支援小型化和模組化設計，適用於分散式能源供給，靈活性更高。例如，鈉冷快堆的裝機規模可在50兆瓦-150兆瓦，高溫氣冷堆的規模可在250兆瓦-300兆瓦，鉛冷快堆則可低至20兆瓦。
讓模組化小型反應堆（SMR）為核能的靈活部署和多場景應用帶來革命性變革。SMR具有初始投資成本低、建設週期短、靈活性強和應用場景廣泛等多個優勢。SMR單堆功率通常為10兆瓦-350兆瓦，可根據需求靈活組合多個模組。SMR的模組化設計允許各個模組在工廠中進行標準化生產，然後運輸到現場進行組裝，這種方式減少了現場施工的時間和工作量，降低了建設成本和投資風險。SMR的設計由於反應堆堆芯較小，熱慣性低，具備較強的功率調節能力，可以根據電網需求迅速調整輸出功率，其小型化和分散式部署能力使其更適合與分散式可再生能源系統協同工作，幫助實現區域性電力供應的穩定。
SMR由於其對選址的要求相對較低，具有廣泛的應用場景，例如在城市和工業園區可為居民和工業企業提供穩定的電力和熱力；在偏遠地區、海島和軍事基地，可用於解決這些區域缺乏穩定能源供應的問題；SMR還可利用煤電廠的現有基礎設施，將其逐步改造為核電設施，即透過部署SMR實現落後燃煤電廠的淘汰。
此外，SMR正逐漸被認為是未來為資料中心供電的重要選擇之一。截至目前，全球已宣佈計劃建設高達2500萬千瓦的SMR用於為資料中心行業供電，幾乎所有專案都位於美國。IEA預測到2050年，全球將建成1.2億千瓦的SMR，其中中國的裝機規模達到3500萬千瓦，位居全球第一。
不斷提高核能的綜合利用水平。在制氫領域，高溫核反應堆可透過硫-碘熱化學迴圈生產清潔氫氣。硫-碘熱化學迴圈制氫作為一種極具潛力的制氫技術，致力於實現大規模、低成本且高效率的氫氣生產。相比傳統的電解水方法，硫-碘迴圈透過直接化學反應提取氫氣，避免了電解水過程中因電能轉換而產生的額外能量損耗，從而在能量利用效率上更勝一籌。但碘硫熱解迴圈通常需要在800°C-1000°C的高溫環境下進行，目前的三代核反應堆由於技術限制，尚無法達到這一溫度要求，而四代堆中的超高溫氣冷堆、熔鹽堆等堆型設計則可以實現。
在工業領域，第四代核反應堆可以滿足工業使用者的高溫熱負荷需求，替代燃煤和天然氣鍋爐，實現工業低碳化。出口溫度在700°C以上的堆型，甚至可直接用於合成氨和甲醇等高溫化學反應。在海水淡化領域，核電利用其提供的高溫熱能和穩定電力，可透過熱驅動和電驅動技術相結合的方式，推動海水淡化，滿足沿海缺水地區的用水需求。
（作者為北京大學能源研究院高階分析師；編輯：韓舒淋）
責編 | 秦李欣