董秀成：核能“何能”？全球实现碳中和核能不可能缺位

　　全球气候变化问题日益突出，为此世界各国顺应应对气候变化浪潮，纷纷制定碳中和目标和路线图，积极推动能源绿色低碳转型发展。

　　在当前复杂的形势下，尤其是俄乌冲突愈演愈烈、新冠肺炎疫情仍然存在变数、极端天气频发、能源供求关系出现失衡等诸多因素叠加在一起，导致全球能源市场异常剧烈波动，引发欧洲能源安全危机和全球能源价格居高不下。

　　核能，也可以称为原子能，从物理学角度看，它是指由原子核里的核子（比如中子或质子）在重新分配和组合过程中释放出来的能量。

　　核子重新分配和组合过程，也称其为核反应，包括如下三种类型：一是通过核裂变反应，既较重的原子核在过程中释放能量；二是通过核聚变反应，既较轻的原子核聚合在一起释放出能量；三是通过核衰变反应，既在原子核自发衰变过程中释放出能量。

　　从目前人类利用方面，核能分为两类：一类叫核裂变能，比如当前人类普遍利用的核电站和等；另一类叫核聚变能，目前人类在和平利用方面尚未取得技术突破，但是已经成功研制氢弹。

　　与其他能源相比，核能具有巨大的威力，能量密度极高，若能够科学有效地开发利用，那么就可以为人类提供巨大的能量。

　　从核反应释放能量对比中，尽管从总体上释放能量巨大，但是核裂变与核聚变释放能量也存在较大差异，后者释放能量比前者更大。

　　比如，对于核裂变，一公斤铀原子核全部裂变释放出来的能量，约等于2700吨标准煤燃烧时所放出的化学能。

　　一座100万千瓦的核电站，每年只需要25-30吨低浓度的铀核燃料，而运送这些核燃料大约只需要10辆卡车。

　　而对于相同功率的燃煤发电站，每年则需要300多万吨原煤，而运输这些煤炭则需要1000列火车。

　　如果将核聚变与核裂变相比，那么核聚变反应释放的能量比核裂变反应释放的能量更大，简直不在一个数量级上。

　　根据科学测算，一公斤煤炭能使一列火车开动8米，一公斤裂变原料可使一列火车开动4万公里，而一公斤聚变原料可以使一列火车开动40万公里，距离相当于从地球到月球。

　　对于核原料资源来说，地球上蕴藏着大量的铀、钍等核裂变资源，如果能够充分利用这些原料，那么就可以满足人类上千年的能源需求。

　　另外，海洋中蕴藏着大量（不少于20万亿吨）核聚变资源-氢的同位元素氘，如果未来在科技上实现可控核聚变的重大突破并加以和平利用，那么这些氘的聚变能相当于几万亿亿吨煤炭，可以能满足人类上百亿年的能源需求，能源问题可以完全得到解决。

　　核能是人类历史上的一项伟大发现，本质上是科学技术进步的重大产物，更是人类文明演变过程中的重大突破。

　　当然，每一项重大科技进步都离不开科学家，核能发现其实就是科学家尤其是早期西方科学家对人类社会发展和进步的重大贡献，正是一大批科学家的不懈努力和积极探索，才为核能开发和利用奠定了坚实的理论基础。

　　对于核能科技来说，人类社会可以直接追溯到19世纪末的科学发展，尤其是英国物理学家汤姆逊发现了电子，人类社会才开始逐渐地揭开了原子核的神秘面纱。

　　在核能发展中，以下科学家极其具有代表性的科学发现，奠定了人类现代核能开发和利用的基础，值得我们后人的深刻记忆。

　　1．发现X射线日，德国物理学家伦琴在进行阴极射线的实验时第一次注意到放在射线管附近的氰亚铂酸钡小屏上发出了微光，那么是什么原因导致这些微光的出现呢？

　　伦琴经过几天废寝忘食的研究，确定了荧光屏的发光是由于射线管中发出的某种射线所致，因为当时对于这种射线的本质和属性还了解得很少，因此将这种射线称为X射线，意思就是未知射线日，伦琴用X射线拍摄了维尔茨堡大学著名解剖学教授克利克尔一只手的照片，克利克尔建议将这种射线月，法国物理学家贝克勒尔发现，与双氧铀硫酸钾盐放在一起但包在黑纸中的感光底板被感光了，据此推测可能是因为铀盐发出了某种未知的辐射。

　　1896年5月，贝克勒又发现纯铀金属板也能产生这种辐射，因此确认发现了天然放射性现象，后来科学家将这种现象取名为放射性，也称其为天然放射性。

　　1898年7月，居里夫妇发现了新的放射性元素，其放射性强度比铀的放射性强四百倍，居里夫人建议将其命名为钋。

　　1902年，经过三年多时间的艰苦研究，居里夫妇从数吨残渣中分离出微量的（一分克）氯化镭，并精确测得镭的原子量。

　　1905年，大科学家爱因斯坦提出了著名质能转换公式，既E=MC，其中E代表能量，M代表质量，C代表光速。

　　提出上述公式是爱因斯坦在科学领域最大的贡献之一，揭示了物质与能量之间的逻辑关系，主张物质就是一种能量形式。

　　1911年，英国物理学家卢瑟福根据α粒子散射实验现象提出了原子核式结构模型，该实验被评价为“物理最美实验”之一。

　　1919年，卢瑟福做了用α粒子轰击氮核的实验，从氮核中打出的一种粒子，并测定了它的电荷与质量，它的电荷量为一个单位，质量也为一个单位，卢瑟福将之命名为质子。

　　卢瑟福关于放射性的研究确立了放射性是发自原子内部的变化，放射性能使一种原子改变成另一种原子，打破了元素不会变化的传统观念，使人们对物质结构的研究进入到原子内部这一新的层次，开辟了一个全新的科学领域-原子物理学。

　　英国物理学家查德威克意识到，这种射线很可能是由中性粒子组成，这种中性粒子是解开原子核正电荷与它质量不相等之谜的钥匙。

　　1935年，查德威克通过研究约里奥·居里夫妇做过的实验，用云室测定这种粒子的质量，结果发现这种粒子的质量和质子一样，而且不带电荷，并将其称为中子。

　　1938年，德国科学家奥托·哈恩用一种慢中子来轰击铀核时，竟出人意料地发生了一种异乎寻常的情况，反应不仅迅速强烈、释放出很高的能量，而且铀核成为一些原子序数小得多的、更轻的物质成分，这就是核裂变的发现。

　　1942年12月2日，美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆-芝加哥一号堆，内部成功产生了可控的铀核裂变链式反应，从此开启了人类的原子能时代。

　　1945年夏，第二次世界大战接近尾声，日本败局已定，但是日本政府于7月28日拒绝接受《波茨坦公告》。

　　1954年，前苏联建成了世界上第一座核电站-奥布灵斯克核电站，但在建设初期属于最高机密，即使是身处建设工地的工人也不知道自己究竟在建造什么。

　　1954年6月27日，俄语广播电台播报的一条新闻震惊世界，前苏联建成了世界上第一座5000千瓦发电量的核电站，由此开启了人类和平利用核能的时代。

　　根据文献查阅，世界核电发展大致可以分成四个阶段：实验示范阶段、高速发展阶段、减缓发展阶段和逐渐复苏阶段。

　　1．试验示范阶段（1954-1965年）在这一发展阶段，全球共有38个核电机组投入运行，由于核反应堆属于早期原型反应堆，因此在核电领域被称为第一代核电站。

　　在这期间，核电站建设和运行的国家比较少，走在前沿的国家包括前苏联、英国、美国、法国和加拿大等国，而且发电规模也比较小，基本上处于试验示范阶段。

　　在此时期，由于全球爆发石油危机，西方国家调整能源政策，急于寻找替代能源，核电得以快速发展，全世界共有242个机组投入运行，在核电领域属于第二代核电站时期。

　　在此期间，引领全球核能发展步伐的国家主要还是西方发达国家和前苏联，比如美国、前苏联、日本、法国等国核电站建设和发展步伐迅速加快，核电规模也快速增加。

　　其中，法国核电发电量增加了20.4倍，占比由3.7%增加到40%以上，日本核电发电量增加了21.8倍，占比由1.3%增加到20%。

　　在此期间，由于发生核电站事故，让世界各国对核能发展产生了强烈的担忧和恐惧，因此导致核能发展开始缓慢。

　　1979年3月28日凌晨4时，美国宾夕法尼亚州的三里岛核电站第2组反应堆发生事故，涡轮机停转，堆芯压力和温度骤然升高，大量放射性物质溢出。

　　在整个事故中，100吨铀燃料虽然没有被熔化，但是有60%的铀棒受到了损坏，最终导致核反应堆陷于瘫痪。

　　1986年4月26日凌晨1点23分，位于前苏联加盟共和国乌克兰普里皮亚季邻近的切尔诺贝利核电厂的第四号反应堆发生了爆炸。

　　由于爆炸连续发生，引发了熊熊烈火，并导致大量放射性物质散发到大气层中，辐射尘埃扩散到大面积区域，辐射线剂量相当于美国投放到广岛的的400倍以上，绝对是一场巨大的人类灾难。

　　核事故发生，直接导致世界核电发展停滞，人类开始重新评估核电的安全性和经济性，为保证核电安全，世界各国不得不纷纷增加更多安全设施，制定更加严格的审批制度。

　　人类社会进入21世纪以来，随着全球应对气候变化问题突显，能源安全、生态平衡和环境压力越来越大，作为清洁能源的核电优势再度显现，重新进入能源界的视野。

　　另外，随着科技进步，核电安全可靠性也在进一步提高，世界核电发展开始逐渐复苏，许多国家都制定了比较积极的核电发展规划。

　　对于西方发达国家，比如美国、欧洲和日本等推进科技进步，先后开发了先进轻水堆核电站技术，也就是第三代核电站技术取得了重大进展，陆续投入商业运行或不断开展项目建设。

　　不过，令人遗憾的是，日本发生了重要和安全事故，对世界核能发展再次形成压力或阻力，促使各国政府更加重视核安全问题。

　　地区发生了里氏9.0级地震，紧接着发生了巨大海啸，导致福岛第一核电站和福岛第二核电站受到了严重影响，迅速引起全球对核能安全问题的瞩目。

　　2011年3月12日，日本经济产业省原子能安全和保安院宣布，受地震和海啸的影响，福岛第一核电厂的放射性物质出现外部泄漏。

　　在这次核事故后，全球再度关注核能发展问题，尤其是欧洲各国出现了关于“弃核还是亲核”的明显分歧。然而，核事故阴影仍然在许多国家和民众心里挥之不去，直接影响政府决策。福岛核事故发生之后，西班牙、德国、比利时和瑞士都先后宣布要放弃核能或减少对核能依赖。

　　自2019年欧盟提出碳中和目标以来，各成员国对“煤炭退出”议题基本达成了一致意见，但是对于核电发展问题目前仍然存在重大争议，有些国家表示要弃核，但也有国家坚持核能发展。

　　综合世界各国政策趋向，总体上依然坚持稳健、安全的核能发展思路，未来全球范围内核能发展空间巨大。

　　目前，在全球范围内，世界各国均面临着应对气候变化和能源安全保障等多重约束，核能开发和利用将成为许多国家的无奈选择，更是为应对气候变化和加速能源转型，实现经济低碳发展的必然选择。

　　欧洲是核电发展比较积极的地区，在欧盟27个欧盟成员国中，有13个国家在役核电站103座，发电量占欧盟总发电量的25%左右，明显高于全球10%左右的平均水平。

　　根据国际原子能机构（IAEA）数据，在2021年世界各国电力结构中，核电占比超过10%的国家有22个，占比超过25%的国家有13个，占比超过50%的国家有4个。

　　从具体国家核电发电量占比来看，法国占比为69.0%，乌克兰为55.0%，韩国为28.0%，俄罗斯为20.0%，美国为19.6%，加拿大为14.3%，英国为14.8%，日本为7.2%，中国为5.0%，印度为3.2%。

　　根据国际原子能机构（IAEA）统计，截至2022年6月底，全球在运核电机组有440台，总装机容量约为3.94亿千瓦。

　　从核电装机运行数量快来看，美国有92个，法国有56个，中国有55个，俄罗斯有37个，日本有33个，韩国有25个，印度有22个，加拿大有19个，乌克兰有15个，英国有11个，其他国家总计有75个。

　　根据国际原子能机构（IAEA）统计，截至2022年6月底，全球在建核电机组共有53台，总装机容量约为5437.7万千瓦。

　　从具体国家在建核电机组容量来看，中国为30.19万千瓦，印度为15.90万千瓦，俄罗斯为7.55万千瓦，韩国为5.66万千瓦，土耳其为5.66万千瓦，其他国家总计为35.85万千瓦。

　　截至2022年4月，全球在建核电装机规模达到了一亿千瓦，土耳其等30多个原来没有核电站的国家都计划新建核电站，全球核电产业处于加速回暖步伐之中。

　　许多西方发达国家，比如欧盟、英国和韩国等国都在释放出重启或加快核电发展的积极信号，就连承诺“2022年底弃核”的德国国内也出现了延长核电寿命的声音。

　　由于俄乌冲突，导致欧洲能源危机，能源价格飙升，实现碳中和目标与保障能源安全问题变得更加突出，迫使国家调整核能政策。

　　从国家层面来看，核能在各国能源供给中所扮演的角色呈现出巨大的差异，各国在核能发展政策方面存在区别。

　　对于多数经济体来说，比如美国、加拿大、中国、俄罗斯、英国、印度、波兰、阿根廷、巴西、埃及、芬兰、匈牙利、沙特和乌兹别克斯坦等对核能发展持乐观态度。

　　美国是目前世界上核能发电量最多的国家，拥有有93座核反应堆，占全球核能发电量总量的24%，核电占清洁电力的50%以上。

　　2020年，美国启动了先进反应堆示范计划，计划投入总额1.6亿美元，支持建造两座可在五至七年内投入运行的示范反应堆。

　　2021年，美国基础设施法案对先进核反应堆示范项目投资和清洁电力标准做出规定，将更有效激发美国现有核工业的潜力。

　　美国还宣布了一项2500万美元的“核期货一揽子计划”，旨在推动现代核能发电和创新发展，并与其他国家建立伙伴关系，以支持美国实现核能发展目标。

　　2018年，加拿大于发布了小型模块化反应堆（SMR）路线年，加拿大发布了小型模块化反应堆（SMR）行动计划，详细列出了多种应用开发、演示和部署小型模块化反应堆（SMR）的后续步骤。

　　目前，加拿大安大略省的达林顿和布鲁斯核电站正耗资260亿加元进行翻新工程，以使核电站能够在本世纪中叶之后继续运行。

　　截至到2020年底，中国运行核电机组共有49台。尽管中国2020年核电占比仅为5%，但已经仅次于美国和法国，成为世界第三大核能生产国。中国目前在建核反应堆有18座，计划建设的有39座。

　　根据“十四五”规划，中国明确提出核电运行装机容量要达到70吉瓦，并加大自主技术研发推广力度。

　　作为世界能源出口大国，俄罗斯核能技术出口一直是国家战略，而且没有受到日本福岛核事故的影响，坚持发展核能产业。

　　在核能技术方面，包括三代反应堆（VVER）和小型模块化反应堆（SMR）等方面，俄罗斯都处于世界领先水平。

　　2021年，俄罗斯批准建造浮动式小型模块化反应堆（SMR）船队计划，以便为俄罗斯远东地区采掘业提供动力。

　　截至到2020年底，俄罗斯核能在能源结构中占比为20.28%，目标是在2045年前将核电在俄罗斯能源结构中的占比提高到25%。

　　2020年底，英国政府发布了《能源》，强调核能对于其兑现2050年气候中和目标中的作用。

　　到2024年，英国还将至少再建一座核电站，支持研发先进反应堆技术和核聚变反应堆技术持，目标是2050年核容量增加到40吉瓦。

　　2021年，波兰政府批准了一项面向2040年的能源政策，计划开发6-9吉瓦的核能作为多元化能源组合的一部分，以降低对煤炭和进口天然气的严重依赖。

　　当然，也有不少发达经济体，比如法国、德国、韩国、西班牙、比利时、瑞士等计划逐步降低核电份额，或坚持最终淘汰核能，但是未来这些国家的核能政策仍然存在变数。

　　法国目前是世界上核电占比最高的国家，核电发展也由于日本福岛核事故发生后而陷入停滞，比如最新一座核电站的第三个核反应堆于2007年便开工建设，但是至今仍未完工。

　　在过去一段时期，由于在欧洲乃至全球兴起了一股反核的浪潮，法国也曾经尝试能源政策调整，比如要降低核电比例等。

　　2020年，法国在《中期能源规划》和《长期脱碳战略》中，强调核能是法国能源战略支柱，但同时也承诺将在2035年以前关闭14座核反应堆，把核电比例从2020年的70%多降到2035年的50%。

　　然而，俄乌冲突爆发，时运发生扭转，在能源安全风险不断加剧之际，法国政府也重新审视核电在国家保障能源安全中的作用。

　　2022年2月，法国总统马克龙宣布，为了确保实现能源独立和碳中和目标，法国将重振核电产业，计划在2050年前新建6座第二代欧洲压水式反应堆，并研究再建设8座其他核反应堆，核能将成为法国能源转型和脱碳政策的核心。

　　日本福岛核事故发生之后，德国宣布淘汰多座老旧核电设施，并计划在2022年底前彻底关停核电站，至今境内仅剩最后3座核电站。

　　2021年，由于天然气价格高涨、海上风电发电量不足等影响，德国出现了严重的电力供应短缺，不得已重启了部分燃煤发电。

　　根据国际能源署统计，2021年德国燃煤发电量同比增长25%，打破了连续8年下降趋势，温室气体排放量出现反弹。

　　根据媒体报道，德国为了摆脱对俄罗斯能源依赖，也曾考虑过调整核电关停政策，延长现有核电站使用寿命，但是在权衡利弊之后，依然坚持“弃核”政策，但是无疑将进一步加剧能源安全风险。

　　2022年6月19日，德国公布紧急法案，将延后退役并重启约1000万千瓦煤电机组，以便减少天然气消费，缓解能源短缺危机，意味着温室气体排放将进一步增加。

　　文在寅政府经曾主张韩国要逐步淘汰核电，并于2017年决定取消新建核电计划，几座已经开工的反应堆也停建。

　　2020年，韩国文在寅政府提出了“2050年实现碳中和”目标，并计划将核电发电量占比由2020年的30%降至2050年的6%左右，可见这届政府具有明显的“弃核”倾向。

　　然而，韩国新任总统尹锡悦与前任总统形成巨大差异，没有持续原有政策取向，而是转而支持核能发展。

　　尹锡悦在总统竞选阶段，就力求扭转“弃核”政策取向，2022年5月上任后便着手开展核电重启、新建和延寿等工作，决定重新启动新韩蔚核电厂3号和4号机组建设，将核能作为实现碳中和目标和保障国家能源安全目标的作为重要支撑手段。

　　2022年4月，英国宣布将在2030年前新建8座核电站，以确保经济社会稳定运行不再受全球油气市场波动的影响。

　　与煤炭或天然气发电站相比，核电的热源的裂变反应，形成闭合回路，没有二氧化硫和氮氧化物等排放。

　　总体而言，核能发展与其作用相比还有很大不足，潜力亟待挖掘。核能与可再生能源相结合，构成全新的混合能源系统，可以显著减少温室气体的排放，而且因其固有的高安全性和高效率的热电联产能力，可以满足不同用户的电力需要。

　　根据核电生命周期，每发一度电二氧化碳排放仅为10.9克，远远于煤电、气电、水电和光伏等其他发电方式。

　　比如，核能技术可以满足某些电力和供热领域的生产要求，包括海水淡化、制氢、原油开采、石油化工、船舶运输甚至是太空应用。

　　因此，综合考虑清洁低碳、经济性、灵活性和能源安全等要素，核能将为全球应对气候变化和实现碳中和目标中发挥重大作用。

　　从核能技术趋势上看，人类突破核聚变技术将是未来发展方向，尤其是在核聚变几乎不存在放射性污染问题，因此核聚变可以成为人类社会未来发展和文明演化的理想能源之一。

　　(本文作者介绍：对外经济贸易大学一带一路能源贸易与发展研究中心主任，中国国际低碳经济研究所执行所长)