优秀作业 | 浅析中国发展核电的意义
本文是北京大学上学期开设的通识核心课程“人类生存发展与核科学”的优秀课程作业，作者是北京大学经济学院的本科生安思成。
本文从国家能源安全保障、经济效益提高、可持续发展和碳减排三个主要方面讨论了中国发展核电的正面意义。作者收集了翔实的数据和材料，论述有条不紊，并出色地实现了数据可视化，为本文增色不少。
Vol.1310
优秀作业
浅析中国发展核电的意义
安思成｜2020级本科生
北京大学经济学院
随着我国经济的快速发展，能源需求也急剧增长，使得我国石油、天然气和煤炭的对外依存度逐年攀升，能源供给缺口逐年扩大，能源安全问题迫在眉睫。同时，二氧化碳等温室气体减排也被提上国际日程，发达国家试图通过限制中国碳排放来遏制中国经济的快速增长。本文从经济增长和矿产资源的角度切入，说明了未来核电发展的巨大空间，并论证了发展核电对于保障国家能源安全的重要意义。本文还从宏观经济与就业、燃料成本和发电稳定性三个角度阐释了核电相比于火电、风电和光伏发电的显著优势及其优良的经济性。最后，本文在实现“碳达峰”和“碳中和”方面，论述了核电在减少碳排放上独有的优势。
核能 能源安全 能源结构 核电经济性 碳中和
一、发展核电有利于保障国家能源安全
能源是人类进行生产生活的物质基础，也是现代社会经济发展的重要支柱，更是事关国家命脉的战略资源。在当今世界，能源已成为国家综合国力的决定性因素，是国家崛起、民族复兴的战略筹码。世界各国围绕能源霸权进行了激烈的竞争，国家利益也紧紧围绕着能源安全战略展开。因此，保障能源安全成为了21世纪压倒一切的首要任务。
自我国改革开放以来，能源工业不断发展壮大，促进了经济持续快速发展。在1979-2018年间，我国经济年均增长率为9.4%。与此同时，我国能源需求急剧增长，甚至在2002-2005年间，能源消费总量增速一度超过GDP增速（见图1、图2）。
图1 中国GDP和能源消费总量（2001-2020）
图2 中国GDP和能源消费总量增速（2002-2020）
然而，由于我国人口众多，人均能源资源拥有量在世界上一直处于较低水平。煤炭和水力资源人均拥有量相当于世界平均水平的50%，石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的1/15左右。因此在经济高速发展的过程中，我国能源供给不足的矛盾十分突出，能源缺口不断扩大。即使考虑到产业结构调整、科技进步、生产力发展等诸多因素，仅仅依靠常规的化石能源也难以继续维持6%以上的经济增长率，发展新能源产业迫在眉睫。
人均资源紧缺给我国带来的除了能源供给不足外，还有能源对外依存度的不断增加。我国分别于1993年、2007年和2008年成为石油、天然气和煤炭的净进口国，且自2006年以来，我国石油、天然气和煤炭的对外依存度逐年攀升，而石油对外依存度更是在2018年达到了惊人的74.8%（见图 3）。中国国内能源的短缺，特别是石油的短缺，已经成为严重制约国民经济发展的瓶颈，可以说能源瓶颈已成为中国崛起的“阿基里斯之踵”。中国在传统化石能源上越来越依赖进口，这将大大增加我国能源安全的脆弱性和不确定性。倘若国际政局动荡，甚至是战争爆发导致石油、天然气的进口锐减，中国政府将面临巨大的能源供应缺口，引发能源价格失控、工业停摆，带来严峻的民生和经济问题。尽管我国建立了石油储备体系，但是，由于石油储备成本较高，按照目前国家统计局2014年公布的信息显示，我国目前储备一期工程9100万桶计算，相当于占用资金高达91亿美元（以100美元/桶价格计算），而这样的储备量只能满足我国9天的石油消费需求。
图3 中国主要化石能源的对外依存度（2006-2018）
纵观我国能源结构的发展，不难发现中国政府一直在努力通过使用天然气和一次电力来替 代煤炭和石油的方式，降低煤炭在能源消费中的占比，并保持石油在能源消费中的占比不再上升（见图4）。特别是在一次电力构成中，宝贵的石油资源已经几乎被其他能源所替代（见图5）。但是，核电在我国能源消费中的占比仍然远低于国际水平。随着经济社会的发展，预计到2050年，电力需求将达到119474亿千瓦时。由于我国是全世界最大的能源消费国，即使仅仅提高到4-6%的能源消费份额，在绝对数量上也需要非常大的核电装机量。为实施这一计划，未来16年，中国每年至少需要建设3台1GWe 核电机组。至2050年，预计核电装机将达到2-3亿千瓦，核电装机容量占总装机容量16%，核发电量占总发电量的比重为20%。因此，核电在我国仍具备巨大的发展空间。
图4 中国能源结构发展（2014-2019）
图5 不同能源对中国发电增长的贡献（2000-2019）
从矿产资源的角度来看，使用核能来代替石油，在本质上其实是用铀矿代替原油。目前， 全世界查明可采铀矿资源储量为807.04万吨，其中开采成本最低（＜USD 40/kgU）的铀矿资源储量为108.05万吨（见表1）。
而截至2019年1月，全世界预估铀需求为59200吨，即使仅按开采成本较低的铀矿（＜USD 130/kgU）计算，铀矿资源储量也是铀需求的104倍。中国在运核反应堆46座，总装机量42.9GWe，预估铀需求为6865吨，而开采成本＜USD 130/kgU 的铀矿储量为24.89万吨，足以供核电使用36年。尽管中国的铀矿床主要是中小型和低品位的。其中大多数的平均等级分别为0.1%和0.2%，少数约为0.5% ，但中国拥有丰富的钍资源，储量居世界第二位，只是短期内不会大规模使用。虽然澳大利亚、加拿大和中亚国家拥有的低成本、高品位铀矿的份额最大，但铀资源与集中在中东的石油和天然气资源相比，在地理上仍然比任何其他能源资源分布更均匀。此外，鉴于铀燃料储存所需的空间远远少于化石燃料，我国可以相对以更低的成本保持核燃料储存，这将大大降低了供应中断的风险。虽然目前铀回收技术并不成熟，但从海水中回收铀将保证几乎无限的核燃料资源，作为磷酸盐岩石副产品的铀回收也可能具有竞争力。所有这些论点都表明，与石油相比，核能（铀矿）的进口来源更加多元，战略储备更加充足，稳定核能价格也更加容易，提高核能占比可以提高我国抗击能源冲击的能力。
2021年2月，罕见的寒潮天气席卷了美国得克萨斯州，得州电力系统遭受重创，数百万用户断电、电价飙升、电力运营商申请破产，造成了大量的人员伤亡和财产损失。得州新能源发电系统在极寒天气中大范围停摆，风力和光伏发电量分别下降60%和68%，几乎完全瘫痪。而由于核电发电方式的特殊性，得州核电发电量很稳定，每小时发电量保持在5116兆瓦时的水平，仅有少数核反应堆因冷却水水管被冻导致关闭、核电机组停机。在此次极端自然灾害中，核电发电量仅下降26%，表现出了与火电相近的优良性能，显示出核电在保障能源供给安全方面的能力。
《新时代的中国能源发展》白皮书指出：“推动能源供给革命，建立多元供应体系。坚持绿色发展导向，大力推进化石能源清洁高效利用，优先发展可再生能源，安全有序发展核电， 加快提升非化石能源在能源供应中的比重。”目前，我国已经建成了若干先进三代技术的核电站，新一代核电、小型堆等多项核能利用技术均取得了明显突破。此外，中国严格履行核安保与核不扩散国际义务，始终保持着良好的核安保记录。迄今为止，在运核电机组总体安全状况良好，未发生过国际核事件分级二级及以上的事故。综上所述，我国完全具备发展核电的潜力与实力。在不远的将来，核电必将责无旁贷地承担起补给能源供应缺口的重担，为传统的能源产业注入新的活力，降低我国在石油、天然气等化石能源上的对外依存度，大大巩固我国能源安全，有利于提升我国的国际地位和综合国力。
二、发展核电可带来巨大的经济效益
（1）核电对宏观经济增长、就业增加有带动作用
核电作为我国的战略性新兴产业，具有广阔的发展前景，对增加税收、带动地方经济发展、促进就业、完善公共基础设施等均有显着的积极作用。以秦山核电基地所在的浙江省海盐县为例，核电站建设前后，海盐县地方生产总值增长了87.8倍，增速远高于我国经济平均增速，当地居民从核电发展中得到了实惠。另外，核电产业链长，投资大，技术含量高，同时对很多产业的关联带动作用明显，有利于培育支柱产业，促进我国产业结构升级。
公开数据显示，一座五百万千瓦的核电站的项目总投资超过700亿元人民币，建设期将为地方增加税收近十亿元，可直接创造就业岗位10000个，服务岗位3000多个。机组建成投产后，每年将为地方增加税收近32亿元，可创造800个营运岗位和600个服务岗位。项目建设过程中投资建设的道路、码头、水库等将直接大幅度改善当地基础设施建设，带动电网输送通道建设，拉动建筑材料市场，进而拉动新的大型基础设施投资。
Deloitte 的一项研究发现，核电产业在欧洲维持了110万个工作岗位（其中47%是高技能的），在欧盟创造了5070亿欧元的GDP、1240亿欧元的国家收入、3830亿欧元的家庭收入和181亿欧元的贸易顺差。相比之下风能产业（装机容量为160GW）仅提供了25万多个就业岗位，创造361亿欧元的GDP，太阳能行业（装机容量为100GW）只提供了8万多个就业岗位。这意味着，在核电产业每花费1欧元，欧盟 GDP 就会增加5欧元；核电产业的每一个直接就业机会都会为整个欧盟经济创造3.2个就业机会；每千兆瓦的核能发电每年可产生90亿欧元的投资，产出43亿欧元的GDP、32.5亿欧元的公民家庭收入、10亿欧元的公共收入和101.5亿欧元的贸易顺差。除此之外，核电还维持着9500多个直接和间接的工作岗位。
而且，我国核电人才技术水平较高，企业管理严格规范，各核电站都取得了良好稳健的运营业绩，因此核电运营后期的盈利能力较强。中国最大的核电企业中国广核（CGN）和中国核电（CNNP）已经实现了连续10年的营业总收入和毛利润的正增长（见图6 、图 7)。其中，中国广核的净资产收益率（ROE） 连续多年大于10%，毛利率连续多年大于35%，净利率连续多年大于25%。这些财务数据证明，核电在新能源产业经济中有着举足轻重的战略领导地位。
图6 中国广核（CGN）和中国核电（CNNP）的营业总收入增长（2011-2020）
图7 CGN和CNNP的毛利润增长（2011-2020）
（2）核电成本低廉，可提高资源配置效率
核电除了可以带动国家宏观经济增长和产业升级外，还可大大节约国家在动力煤运输、远程电力输送中所耗费的资源，提高社会资源配置效率。我国能源和资源的地理分布极不平衡， 煤炭储量近80%分布在北方，水利资源70%以上分布在西南，而江南八省市加上山东、河北等省的能源资源只占全国的13%，人口却占全国的63%，能源消耗占65%，全国铁路运量的1/2和水运的1/3都用于运煤，却仍无法满足对能源的需求。
这不仅给运输带来巨大压力，也给煤炭价格带来上涨压力。目前我国南方动力煤煤价中的运费成本高达200元/吨，如果使用一座100万千瓦级核电厂代替同级别的煤电厂，仅动力煤运费便节省四亿元（见表 2），更不必提所节约的铁路、公路运力。此外，西部水电开发的西电东送，也带来了建设跨越高山峻岭的高压输电走廊的难题。
电厂的千瓦成本是由建造折旧费、燃料费和运行费这三部分组成的。主要是建造折旧费和燃料费。核电厂的建造出于质量安全和环保等因素的考虑，其设计、材料、制造工艺的要求高，设备制造成本一般比常规设备高40-50%，前期投资巨大。但建成投入运营之后，核电燃料费低于火电厂，火电厂的燃料费约占发电成本的40-60%,而核电厂的燃料费则只占20%左右。与煤电相比，核电从2013年开始实施的含税0.43元/千瓦时电价，普遍低于电站所在沿海各省煤电标杆电价，体现了核电的市场竞争优势。
未来，超临界水冷堆核电机组热效率可高达44-45%，电堆造价和发电成本将显著降低， 预估每 kW 电机造价约900美元，每kW•h电价约0.29美元。钠冷快中子堆则可以通过快中子增殖将大量廉价的U-238转化为Pu-239发电，大大降低了燃料的成本。在长期来看，核电的千瓦成本甚至将会远低于煤电。
（3）核电发电能力稳定，可降低电网运行成本
近年来，我国风电与光伏装机容量已跃居世界第一，但受制于经济下行、电网外送通道建设滞后以及省际电力市场壁垒等体制因素，2014年以来设备利用小时数持续走低，弃风弃光问题凸显。2014年、2015 年和2016 年上半年，中国平均弃风率分别为8%、15%和21%。2015年以来，中国平均弃光率持续保持在12%左右的高位。
我国风电与光伏高弃电率，是风能、太阳能的分布不均和风力发电、光伏发电本身的不稳定性共同造成的。我国风能主要集中在平原地区，太阳能主要集中在西北沙漠地区，而这些地区的电力需求是低于东南沿海地区的。由于跨区域输电通道由于种种原因难以推进，这些过剩的电能只能被弃，产生了资源的大量浪费。此外，风力发电和光伏发电受风速、光照等天气因素影响巨大，电力供给日间波动幅度大，若不进行主动弃电，将会给国家电网带来巨大的冲击。因此，电网还需要配备煤电、气电和储能装置来均衡波动性，这加大了电网运行成本。
核电每年可以稳定可靠地运行7000小时以上，是电网的基本负荷；而风电、太阳能每年有效上网小时数仅仅为1500-2000小时。这意味着单位投资相当的核电与风电、光伏相比， 运行小时数更高，利用效率更高，供电品质更高。综上所述，核电相比其他新能源中有着无与伦比的优势，应当放于发展的主要地位。
三、发展核电将推动“碳达峰”和“碳中和”的实现
2008年7月，八国集团会议就2050年温室气体减排50%达成共识。近年来，美国能源部长朱棣文称，若其他国家未实施温室气体强制减排措施，美国将开放征收碳关税（Carbon Tariff）。所谓碳关税，是指对高耗能的产品进口征收二氧化碳特别排放关税。这表面上是为了全球竞争的公平，实则扼住了中国经济发展的咽喉。如果欧、美、日等国家联合对中国征收碳关税的话，“中国制造”将丧失原来的低成本优势。面对日益严峻的生态变化和经济发展形势，国家主席习近平提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”
图8 五个主要国家的二氧化碳排放量（2000-2019）
如图8所示，美国、德国、日本和韩国等发达国家的二氧化碳排放量均已于2019年以前达到峰值，而我国的二氧化碳排放量不仅居于世界第一，而且仍在迅猛增长。这意味着，我国需要大幅提高新能源在能源消费总量中的占比，并淘汰大量的化石能源，才能于2030年前完成碳达峰的目标。国家能源局在《2021 年能源工作指导意见》中提出：“煤炭消费比重下降到56%以下。新增电能替代电量2000亿千瓦时左右，电能占终端能源消费比重力争达到28%左右……深入落实我国碳达峰、碳中和目标要求，推动能源生产和消费革命，高质量发展可再生能源，大幅提高非化石能源消费比重，控制化石能源消费总量……在确保安全的前提下积极有序发展核电。”
联合国气候变化会议按合理利用和成熟性、经济竞争力，将替代碳基燃料的各种替代能源分为四个档次，核能排在第一档次的第一位。国家能源局数据显示，一个装机容量100万千瓦的核电站和同等规模的火电厂相比，每年可减少二氧化碳排放741万吨，相当于400万棵树木1 年的吸收量。截至2021年5月，我国商运核电机组49台，总装机容量5102.7万千瓦。按此数据计算，我国每年核电减少二氧化碳排放3.78亿吨，约相当于2亿棵树木1年的吸收量。
对比我国与美国、法国和韩国四个国家的能源结构（见图 9），可以看出我国能源消费中化石燃料占比为85.1%，远高于其他三国，水电占比为8.0%，也略高于其他三国，而核能占比仅为2.2%，却远低于其他三国。这意味着我国在走向中等发达国家之路上， 不仅人均能源消费仍要持续上涨，核能在能源消费中的占比也要不断提高。这将在绝对数量上要求核能发电量以更快的速度提高，才有可能在保障能源消费上涨的同时实现碳达峰和碳中和的目标。
图9 中国（左上）与美、法、韩三国的能源结构图，其中橘色指水电占比，绿色指核电占比，三种蓝色指三种不同的化石燃料占比（从左到右分别是石油、天然气、煤炭）
Goldman Sachs 的研究数据表明（见表 3），在同等的低成本方案、基础煤价的情况下，水电和核电是唯二能带来正收益的替代路线，而在新能源中核电也是碳减排成本最低的能源。综上所述，核电在减少碳排放上具有极大的优势。
四、总结
目前中国处于经济持续增长的过程，能源需求也将不断增长，这将给核电带来巨大的发展空间。从矿产资源角度来讲，核电是替代石油等化石能源的绝佳能源。在抵抗自然灾害方面， 核电基本可以达到传统能源的供应水平，并远远领先于风电、光伏等新能源。因此核电是在保障能源安全方面极具潜力的新能源。
从经济角度考虑，核电对宏观经济增长、就业增加有带动作用；燃料成本低廉，可提高资源配置效率；发电能力稳定，可降低电网运行成本。因此，核电相比火电、风电和光伏，具有更优良的经济性，应当放于新能源发展的主要地位。
在实现“碳达峰”和“碳中和”方面，核电也是碳减排成本最低的能源。我国目前每年核电减少二氧化碳排放3.78亿吨，约相当于2亿棵树木1年的吸收量，但核能占比却远低于其他发达国家。这意味着我国必须大力发展核电，才有可能在保障能源消费上涨的同时实现碳达峰和碳中和的目标。
总而言之，我国在走向中等发达国家的过程中，发展核电对于保障能源安全、拉动经济增长和推进碳减排均有着重要的意义。
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华华 编辑 / 鑫淼 校对
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