空氣污染排放視角下中國核電的健康效益

夏 凡，廉 超，王明煌，*，鄒小亮，付雪微，柏云清，李亞洲，陳珊琦

（1.中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所 中子輸運理論與輻射安全重點實驗室，合肥 230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026）

當(dāng)前，我國的能源結(jié)構(gòu)以化石能源為主，我國是全球最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，占全球總煤耗的近50%[1]。據(jù)《中國電力行業(yè)年度發(fā)展報告（2018）》統(tǒng)計，2017年，化石能源發(fā)電量占全國發(fā)電總量的60%以上[2]。全國338個地級及以上城市中，有217個空氣質(zhì)量超標(biāo)，占64.2%，其中重度污染和嚴(yán)重污染分別為1 899天次和822天次，以細(xì)顆粒物PM2.5為首要污染物的天數(shù)占重度及以上污染天數(shù)的60%[3]。我國政府積極采取措施改善空氣質(zhì)量，包括減少化石能源的使用、大力發(fā)展清潔能源等。

核能在發(fā)電過程中不直接排放空氣污染物，是我國正在大力發(fā)展的清潔能源之一[4]。自1994年我國第一座核電站商業(yè)運行以來，截至2019年3月，我國大陸共有在運核電機(jī)組45臺，總在網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)42 976 MW，運行機(jī)組數(shù)量僅次于美國和法國，另外，有15臺核電機(jī)組正在建造中，在建規(guī)模世界第一[5]。本文評估我國發(fā)展核電在改善空氣質(zhì)量方面對居民健康的影響。首先，對比了核電與煤電的空氣污染物排放系數(shù)；然后，根據(jù)因空氣污染物排放引起的死亡率與人均燃煤發(fā)電量的負(fù)指數(shù)冪關(guān)系，評估核電在改善空氣質(zhì)量方面與燃煤電廠相比能夠避免的死亡人數(shù)和患病人數(shù)，包括1995—2018年的估算數(shù)據(jù)以及2020—2030年的預(yù)測數(shù)據(jù)。

1 核電與煤電的空氣污染物排放系數(shù)

空氣污染物是一種復(fù)雜的混合物，包含數(shù)百種成分復(fù)雜的氣態(tài)化合物和顆粒物，其成分在空間和時間上均存在變化。暴露于大氣中的PM2.5（即空氣動力學(xué)直徑小于或等于2.5μm的細(xì)顆粒物）對健康有重大的影響，通常把PM2.5作為指示劑污染物，用于流行病學(xué)分析[6-8]。PM2.5來源復(fù)雜，既包括直接排放，也包括二次轉(zhuǎn)換。在一定條件下，大氣中的SO2、NOx等氣態(tài)化合物會發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成硫酸根離子和硝酸根離子，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成固態(tài)硫酸鹽和硝酸鹽顆粒物，形成二次PM2.5。一般采用硫氧化比（Sulfur Oxidation Ratio，SOR）和氮氧化比（Nitrogen Oxidation Ratio，NOR）表示SO2和NOx的轉(zhuǎn)化比例[9，10]。

燃煤電廠是PM2.5的主要來源之一，既包括煤燃燒時產(chǎn)生的細(xì)顆粒物，也包括由SO2、NOx等前體物轉(zhuǎn)化而來的二次細(xì)顆粒物。雖然我國燃煤電廠已普遍采用除塵技術(shù)，從總體上有效去除粒徑較大的顆粒物，但對于PM10以下粒徑較小的顆粒物（特別是PM2.5）的去除效果并不理想[11，12]。

核電在發(fā)電環(huán)節(jié)不直接排放空氣污染物，但是從整個燃料鏈考慮，在鈾礦開采、鈾濃縮、冶煉、燃料制造加工、運輸、燃燒、后處理、廠房建造等各個環(huán)節(jié)中，會使用其他能源及其他材料，而這些材料的制造加工運輸?shù)拳h(huán)節(jié)會排放空氣污染物。因此認(rèn)為，核電在整個生命周期過程中會排放空氣污染物。核電間接排放的空氣污染物主要取決于生命周期中使用的其他能源的消耗。

我國具有完整的核燃料鏈和煤燃料鏈，從整個燃料鏈角度考慮，核電和煤電一次排放的SO2、NOx、PM2.5的數(shù)據(jù)見表1[13]。SOR和NOR受溫度、濕度、光照等氣象條件的影響較大，理論上的取值范圍為0%～100%，不同學(xué)者的研究結(jié)果存在較大差異，本文統(tǒng)計了不同學(xué)者對我國PM的研究結(jié)果，SOR的范圍為0.15～0.55，NOR的范圍為0.05～0.39[14-21]。本文取值SOR=0.35，NOR=0.25，計算SO2和NOx二次轉(zhuǎn)化PM2.5的量。

由表1可知，單位電量核電排放的PM2.5約為燃煤電廠的2%，因此，假定核電排放空氣污染物導(dǎo)致的死亡率約為燃煤電廠的2%，發(fā)展核電能夠避免的死亡人數(shù)為燃煤電廠導(dǎo)致死亡人數(shù)的98%。本文對核電帶來的健康效益采取可容許誤差范圍內(nèi)的保守估計。原因如下：

（1）實際情況下，核電廠選址往往較為偏僻?？諝馕廴疚飳】档挠绊懼饕紤]以反應(yīng)堆為中心的比較小范圍區(qū)域，范圍外的影響可忽略不計。核電站臨近區(qū)域一般人口稀少，例如，臺山核電站廠址半徑5 km范圍內(nèi)陸域面積的平均人口密度為14人/km2，遠(yuǎn)低于江門市2013年平均人口密度（413人/km2）[22]。遼寧紅沿河核電廠半徑5 km范圍內(nèi)平均人口密度為75人/km2，遠(yuǎn)低于大連市同期平均人口密度（465人/km2）[23]。而根據(jù)火電廠選址原則，一般情況下位于城市15 km的郊外。故實際情況下核電發(fā)展能夠避免的死亡人數(shù)會更多，帶來的效益將更明顯，本文得出的核電健康效益結(jié)果將是保守數(shù)據(jù)。

（2）一方面，核電鏈PM2.5引起的死亡率本身取值很小，僅相當(dāng)于煤電鏈的2%，另一方面，核電生產(chǎn)全生命周期的空氣污染物排放，主要來源于核燃料循環(huán)的其他環(huán)節(jié)，尤其是采礦的環(huán)節(jié)，鈾礦開采所在地相比于核電廠，可能會與人口稠密地帶更加靠近一些。故本文采用保守假設(shè)對評價結(jié)果影響有限，在容許的誤差范圍內(nèi)。

表1核電鏈與煤電鏈空氣污染物排放系數(shù)對比Table1 Comparison of emission factorsof nuclear power and nuclear power chain

2 健康影響規(guī)律

2.1 影響機(jī)制

2.1.1 死亡率

研究表明，人均煤電發(fā)電量與人均死亡率之間存在顯著關(guān)聯(lián)[24]。且全球范圍內(nèi)死亡率和人均燃煤發(fā)電量存在負(fù)指數(shù)冪關(guān)系[25]。本文借鑒了文獻(xiàn)[25]中對全球尺度大范圍空氣污染物的健康影響評價模型，通過將我國各省份由于燃煤排放PM2.5導(dǎo)致的死亡人數(shù)[6]和人均燃煤發(fā)電量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，對該模型的影響系數(shù)進(jìn)行了修正，得到的負(fù)冪指數(shù)關(guān)系如圖1所示。擬合后公式為：

式中，X——人均燃煤發(fā)電量，（TW·h）/人；

Y——空氣污染物導(dǎo)致的死亡率，人/（TW·h）。

圖1燃煤電廠PM 2.5導(dǎo)致的死亡率與人均燃煤發(fā)電量的關(guān)系Fig.1 Relationship between mortality caused by PM 2.5 in coal-fired power plantsand per capita coal-fired power generation

2.1.2 患病率

根據(jù)空氣顆粒物流行病學(xué)研究，由于空氣污染造成的患病率可以通過暴露響應(yīng)方程[26]得出，且可以認(rèn)為患病率和死亡率之間存在一定比例關(guān)系，則患病率可由式（2）計算得出。以下列舉5種疾病患病率與死亡率的關(guān)系，如表2所示。

式中，Z——由空氣污染引起的患病率；

K——比例系數(shù)，對于某種特定的疾病，K取常數(shù)；i——疾病類型。

2.2 煤電對健康的影響

根據(jù)式（1），由不同年份的人均燃煤發(fā)電量可得出相應(yīng)的死亡率。歷史上的全國人均燃煤發(fā)電量數(shù)據(jù)可通過國家統(tǒng)計局網(wǎng)站查詢，根據(jù)國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)，火力發(fā)電包括燃煤發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等，而燃煤發(fā)電占比超過90%，因此，本文以火力發(fā)電數(shù)據(jù)的90%計算燃煤發(fā)電數(shù)據(jù)[27]。根據(jù)我國電力企業(yè)聯(lián)合會2015年發(fā)布的《中國電力工業(yè)現(xiàn)狀與展望》，預(yù)測2020年煤電裝機(jī)容量約為1.1×109kW，發(fā)電量約為5.467×1012kW·h，2030年，煤電裝機(jī)容量達(dá)到1.35×109kW，發(fā)電量約為6.489×1012kW·h[28]。假定2019—2020年、2020—2030年煤電發(fā)電量呈線性增長，人口預(yù)測數(shù)據(jù)來源于國家發(fā)展和改革委員會[29]，以此預(yù)測2019—2030年的死亡率。全國人均煤電發(fā)電量和死亡率隨時間的變化如圖2所示。其中，人均煤電發(fā)電量數(shù)據(jù)為柱狀圖，對應(yīng)左側(cè)縱坐標(biāo)，死亡率為點線圖，對應(yīng)右側(cè)縱坐標(biāo)。

表2 患病率和死亡率的關(guān)系[24]Table 2 The relationship between morbidity and mortality

由圖2可知，隨著人均煤電發(fā)電量的提高，中國燃煤電廠排放空氣污染物所致的死亡率在逐年降低，2018年以前下降幅度較快，2018年以后變化幅度較小，基本保持不變。

圖2全國人均煤電發(fā)電量和死亡率隨時間的變化Fig.2 Changesin per capita coal power generation and mortality in China over time

2.3 核電對健康的影響

我國一共出現(xiàn)4次核電建設(shè)潮流，第一次是1985年后，秦山一期核電站、大亞灣核電站1號、2號機(jī)組共3臺機(jī)組投入建設(shè)；第二次是1995年后，秦山二期1、2號機(jī)組、嶺澳核電站1號、2號機(jī)組、秦山三期1、2號機(jī)組、田灣核電站1、2號機(jī)組共8臺機(jī)組先后投入建設(shè)；第三次是在2005年后，嶺澳3號、4號機(jī)組、秦山二期3號、4號機(jī)組、紅沿河1號、2號機(jī)組、寧德1號、2號機(jī)組、福清1號、2號機(jī)組、方家山1號、2號機(jī)組、三門1號、2號機(jī)組等30臺機(jī)組先后投入建設(shè)；第四次是在福島核事故后，福清4號、5號、6號機(jī)組、陽江4號、5號、6號機(jī)組、田灣3號、4號、5號機(jī)組、紅沿河5號、6號機(jī)組等十余臺機(jī)組投入建設(shè)[5]。由于核電站建設(shè)周期較長，自1994年大亞灣核電站和秦山一期核電站投入商業(yè)運行以來，我國核電發(fā)電量一段時間內(nèi)保持在較低水平，從2000年以后逐年大幅增加，尤其是近幾年，每年都有大量新建機(jī)組投入商業(yè)運行。

本文僅考慮空氣污染物對人類健康的影響，根據(jù)公式（1）及核電與煤電排放系數(shù)的關(guān)系，計算我國核電能夠避免的死亡人數(shù)。

根據(jù)中國國家統(tǒng)計局網(wǎng)站[27]、《中國能源統(tǒng)計年鑒2017》[30]及《中國統(tǒng)計年鑒2018》[31]中國核能協(xié)會公布的數(shù)據(jù)[5]，2018年我國核能發(fā)電量達(dá)286.5 TW·h，占總發(fā)電量的4.2%。我國自1995年以來每年核電發(fā)電量與相應(yīng)能夠避免的死亡人數(shù)如圖3所示，核電能夠避免的死亡人數(shù)在1995—2000年基本保持不變，2000年以后總體呈上升趨勢，2005年前后有一段猛增，可以解釋為第三次核電建設(shè)潮流時期核電發(fā)電量增長迅速，導(dǎo)致避免的死亡人數(shù)出現(xiàn)跳變，2010年以后逐年增長，增速較快。本文估算了1995—2018年間，中國核電發(fā)展可避免死于空氣污染的人數(shù)總計47 223人，可避免的患病人數(shù)總計226 198人。

考慮放射性泄漏的風(fēng)險，根據(jù)文獻(xiàn)[25]采用線性無閾模型的計算結(jié)果，全球范圍內(nèi)煤電由于天然放射性物質(zhì)導(dǎo)致的死亡率僅為0.055人/（TW·h），而1995—2018年煤電由于空氣污染物排放導(dǎo)致的死亡率在[16.249，82.831]，二者相差近300倍，可見煤電由于放射性物質(zhì)泄露導(dǎo)致的健康影響幾乎可以忽略。

圖3歷史上每年的核電發(fā)電量與避免的死亡人數(shù)Fig.3 Annual nuclear power generation and thenumber of deathsavoided in history

圖4歷史上每年的核電發(fā)電量與避免的患病人數(shù)Fig.4 The annual nuclear power generation and the number of patientsavoided in history

核電正常工況下，由于放射性物質(zhì)釋放導(dǎo)致的死亡率為0.137人/（TW·h），由于空氣污染物釋放導(dǎo)致的死亡率約為煤電的2%，即[0.325，1.66]，同時考慮這兩個因素對區(qū)間兩端分別求和得[0.462，1.797]人/（TW·h）。而核電可避免的死亡人數(shù)占燃煤電廠導(dǎo)致死亡人數(shù)的98%，為[15.924，81.174]人/（TW·h）（絕大多數(shù)可避免死亡）。由此可見，發(fā)展核電對人類健康影響以效益為主。

3 2020—2030年核電發(fā)展的健康效益

我國制訂了積極的核電發(fā)展計劃，2016年，我國發(fā)布的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出，到“十三五”末，我國核電運行裝機(jī)容量將達(dá)到5.8×107kW，在建機(jī)組達(dá)到3×107kW以上[32]。預(yù)計到2030年中國建成并投入運行的核電站將要超過100座，裝機(jī)容量將達(dá)1.2×108～1.5×108kW，核電發(fā)電量將達(dá)到發(fā)電總量的8%～10%[5]。本文針對不同的運行因子對未來核電的健康效益做了分析。

3.1 不同運行因子下健康效益預(yù)測

核電站在換料、維修時需要停堆，因此不能全年進(jìn)行發(fā)電，本文分別按照70%、80%、90%、95%的運行因子對未來核能發(fā)電量進(jìn)行預(yù)測，2020年運行裝機(jī)容量5.8×107kW，2030年運行裝機(jī)容量為1.2×108kW，其對應(yīng)的發(fā)電量數(shù)據(jù)見表3。假定2020—2030年核能發(fā)電量呈線性增長，由于在此期間空氣污染物引起的死亡率基本保持不變，因此，可以認(rèn)為核電可避免的死亡人數(shù)與核能發(fā)電量隨時間呈線性關(guān)系，如圖5所示。針對不同的運行因子，2020—2030年核電能夠避免的死亡人數(shù)將分別達(dá)到約7.3萬、8.3萬、9.3萬和9.9萬，能夠避免的患病總?cè)藬?shù)將分別約34.8萬、39.7萬、44.7萬和47.2萬。運行因子每提高10%，累計避免的死亡人數(shù)能夠提高約1萬，累計避免的患病人數(shù)能夠提高約5萬，增長幅度在10%以上。

3.2 不同裝機(jī)容量下健康效益預(yù)測

根據(jù)預(yù)測，2030年運行核電裝機(jī)容量120 GW～150 GW，本文分別按照10 GW間隔進(jìn)行敏感性分析。按照80%[5]運行因子對2020—2030年進(jìn)行預(yù)測，對應(yīng)的發(fā)電量數(shù)據(jù)見表4。每年避免的死亡人數(shù)見圖6。針對不同的裝機(jī)容量，到2030年核電能夠避免的死亡人數(shù)將分別為8.3萬、8.7萬、9.0萬和9.4萬，能夠避免的患病總?cè)藬?shù)將分別為39.7萬、41.5萬、43.3萬和45.1萬。裝機(jī)容量每提高10 GW，累計避免的死亡人數(shù)能夠提高0.4萬，累計避免的患病人數(shù)能夠增加約2萬，增長幅度在5%以下。

表3不同運行因子對應(yīng)的發(fā)電量Table 3 Power generation for different operating factors

圖5不同運行因子對應(yīng)的每年避免的死亡人數(shù)Fig.5 Number of deathsavoided each year for different operating factors

表4不同裝機(jī)容量對應(yīng)的發(fā)電量Table 4 Power generation capacity for different installed capacity

圖6不同裝機(jī)容量對應(yīng)的每年避免的死亡人數(shù)Fig.6 Number of deathsavoided each year for different installed capacity

下面將本文的評估結(jié)果與已經(jīng)公開發(fā)表的文獻(xiàn)評估結(jié)果進(jìn)行對比。文獻(xiàn)[6]顯示，2013年由于煤電產(chǎn)生PM2.5引起的死亡人數(shù)的區(qū)間估值在[77 654，93 804]，2030年死亡人數(shù)的區(qū)間估值在[78 277，123 908]。本文根據(jù)2013年死亡率數(shù)據(jù)計算出的死亡人數(shù)為71 895人，預(yù)測2030年由于煤電空氣污染物排放造成的死亡人數(shù)為70 317人，與文獻(xiàn)[6]等具有較高的吻合度。研究人員給出了中國2005—2015年P(guān)M2.5導(dǎo)致死亡人數(shù)的評估數(shù)據(jù)[34-35]。根據(jù)文獻(xiàn)[34]，2015年、2010年、2006年中國PM2.5所致死亡人數(shù)區(qū)間分別為[281 460，873 800]、[290 080，849 830]、[197 360，590 290]（置信度95%），由于煤電引起的死亡人數(shù)約占總PM2.5所致死亡人數(shù)的8%～9%[6，33]，可計算煤電產(chǎn)生PM2.5致死區(qū)間在[25 331，78 642]、[26 107，76 485]、[177 62，53 126]。本文計算2015年、2010年、2006年、2005年死亡人數(shù)分別為72 625人、70 172人、67 866人和67 109人，前兩組數(shù)據(jù)吻合較好。2005年的附近區(qū)間計算略低于本文計算結(jié)果，而根據(jù)文獻(xiàn)[35]，2005年、2015年中國環(huán)境PM2.5致死人數(shù)（百萬人）區(qū)間分別為[0.84，1.25]、[0.70，1.04]（95%置信度），對應(yīng)煤電致死區(qū)間為[75 600，112 500]、[63 000，93 600]，2005年區(qū)間計算值高于本文計算結(jié)果，2015年吻合較好?？梢越忉尀镹O x、SO x對空氣污染物轉(zhuǎn)化取值不同，2005年附近情景選擇不同都會引起評估數(shù)值差異，故認(rèn)為本文評估結(jié)果具有合理性。

4 結(jié)論

（1）從全燃料鏈角度考慮，核電排放的空氣污染物約為煤電的2%，因此核電可以有效避免空氣污染對人類健康的不利影響。中國核電自1994年投入商業(yè)運行，到2018年累計避免了約4.7萬人死于空氣污染，避免了約22.6萬人因空氣污染患病。中國政府制訂了積極的核能發(fā)展戰(zhàn)略，未來核能在改善空氣質(zhì)量方面將起到更大的作用，避免更多的人死于空氣污染。

（2）按照運行因子為70%、80%、90%、95%進(jìn)行預(yù)測，2020年運行裝機(jī)容量5.8×107kW，2030年運行裝機(jī)容量為1.2×108kW，可估算2020—2030年核電能夠避免的死亡人數(shù)將分別達(dá)到7.3萬、8.3萬、9.3萬和9.9萬，能夠避免的患病總?cè)藬?shù)將分別達(dá)到34.8萬、39.7萬、44.7萬和47.2萬。

按照80%運行因子，2030年運行裝機(jī)容量120～150GW，分別按照10GW間隔進(jìn)行敏感性分析，到2030年核電能夠避免的死亡人數(shù)將分別達(dá)到8.3萬、8.7萬、9.0萬和9.4萬，能夠避免的患病總?cè)藬?shù)將分別達(dá)到39.7萬、41.5萬、43.3萬和45.1萬。提高核電站的運行因子和增加核電裝機(jī)容量均能避免更多的人死于空氣污染，并且提高運行因子能夠通過更少的付出獲得更大經(jīng)濟(jì)收益，因此，建議盡最大可能提高現(xiàn)有核電站的運行因子，使核電發(fā)展帶來的效益最大化。