“雙碳”背景下核技術(shù)的潛在優(yōu)勢與應用及其創(chuàng)新研究

摘要：實現(xiàn)碳達峰碳中和是我國乃至全球共同的目標。核技術(shù)作為一種高效、清潔的能源利用形式，其在降低碳排放方面具有顯著優(yōu)勢。在“雙碳”背景下，通過分析核技術(shù)在能源、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的應用，探討核技術(shù)利用中降低碳排放的路徑及安全保障，提出推進核技術(shù)利用以降低碳排放的建議和展望，為相關(guān)領(lǐng)域和實踐提供參考。

關(guān)鍵詞：雙碳；核技術(shù)；優(yōu)勢；節(jié)能降碳

引言

隨著全球經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和人口的不斷增長，能源消耗和碳排放量急劇上升，導致全球氣候變化問題日益突出。碳達峰碳中和日益成為全球應對氣候變化、減少溫室氣體排放的重要政策目標。為此，我國提出了力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和的目標，即“雙碳”目標。此舉對于應對氣候變化、推動可持續(xù)發(fā)展、保護生態(tài)環(huán)境、促進技術(shù)創(chuàng)新、樹立國際形象和引導綠色消費等方面都具有重要意義。此外，歐盟提出了“綠色協(xié)議”，旨在2050年實現(xiàn)碳中和。美國也重新加入了巴黎協(xié)定，并設(shè)定了旨在2050年實現(xiàn)碳中和的目標。

為了實現(xiàn)碳中和目標，各國都在積極探索新的能源技術(shù)和降碳方法，涉及到多個領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，包括加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整（如增加可再生能源比例）、提高能效、推廣電動汽車、發(fā)展碳捕集與封存技術(shù)（CCS）、實施碳定價機制等。而核技術(shù)作為一種高效、清潔的能源利用形式，其在節(jié)能降碳領(lǐng)域的應用與創(chuàng)新具有重要意義[1]，因此本文旨在分析“雙碳”背景下核技術(shù)利用的潛在優(yōu)勢、實際應用與創(chuàng)新實踐，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究與實踐提供參考。

1核技術(shù)原理與潛在優(yōu)勢

1.1 基本原理

核技術(shù)利用是指利用放射性同位素和射線裝置在諸多領(lǐng)域，如醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)調(diào)查、科學研究和教學中的使用。這些應用主要是基于放射性同位素的衰變和射線與物質(zhì)的相互作用，利用了X、γ射線等的貫穿能力和對物質(zhì)原子的電離能力[2]。

1.2 潛在優(yōu)勢

1.2.1高能量密度

核能具有極高的能量密度，相比于化石燃料和可再生能源，核燃料（如鈾）在相同重量下可以產(chǎn)生更多的能量。這意味著，核能發(fā)電在生產(chǎn)相同電量時需要的燃料量遠少于煤炭或天然氣，從而大幅減少了碳排放。

1.2.2低碳排放

核能發(fā)電過程中不產(chǎn)生溫室氣體排放，有助于減少碳排放，緩解全球氣候變化壓力。雖然核燃料的采礦、加工、運輸和廢料處理過程會產(chǎn)生一定的碳排放，但整個生命周期的碳排放強度與風能和太陽能相當，遠低于化石燃料電站。

1.2.3可持續(xù)性

核原料資源豐富，可供長期使用，具有較好的可持續(xù)性。與風能和太陽能等可再生能源相比，核能可以提供穩(wěn)定、連續(xù)的電力供應，不受天氣和季節(jié)的影響。

1.2.4促進技術(shù)創(chuàng)新

核技術(shù)的發(fā)展和應用推動了一系列相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新，包括核融合能研究、輻射技術(shù)在材料科學中的應用，以及高溫核反應堆在氫能生產(chǎn)中的潛在應用。這些技術(shù)創(chuàng)新，不僅有助于減少碳排放，也為能源領(lǐng)域帶來新的發(fā)展機遇。

2核技術(shù)的應用

2.1 核技術(shù)在能源領(lǐng)域的應用

2.1.1核能發(fā)電

核能發(fā)電是利用核裂變或核聚變反應所釋放的能量發(fā)電的技術(shù)。與傳統(tǒng)的化石燃料發(fā)電相比，核能發(fā)電具有零排放、高效率、可持續(xù)等優(yōu)點。通過大力發(fā)展核能發(fā)電，可以顯著減少化石燃料的使用量，從而降低碳排放[3]。如，法國是全球核能發(fā)電比例最高的國家之一，其核能發(fā)電量占全國總發(fā)電量的約75%，有效地降低了碳排放量。

2.1.2核融合能

核融合能被視為幾乎無限的能源，其理論上的安全性和環(huán)境友好性非常高，幾乎不產(chǎn)生長壽命放射性廢物，且原料豐富（如氘和氚），理論上可以提供幾乎無限的能量。盡管目前核融合能技術(shù)尚未實現(xiàn)商業(yè)化，但其在實現(xiàn)全球長期、大規(guī)模降低碳排放方面的潛力巨大。

2.1.3核能供熱

除了發(fā)電之外，核技術(shù)還可以用于供熱領(lǐng)域。核能供熱是利用核反應堆產(chǎn)生的熱量為城市或工業(yè)區(qū)域提供熱水和蒸汽。與傳統(tǒng)的燃煤鍋爐相比，核能供熱具有無污染、高效率等優(yōu)點。通過推廣核能供熱技術(shù)，可以替代傳統(tǒng)的化石燃料供熱方式，進一步降低碳排放。

2.1.4核能制氫

氫能作為一種清潔能源載體，具有廣泛的應用前景，包括在交通、工業(yè)和電力領(lǐng)域作為能源或儲能介質(zhì)。核能可以通過高溫電解水或高溫熱化學循環(huán)過程高效生產(chǎn)氫氣，與傳統(tǒng)的基于化石燃料的氫氣生產(chǎn)相比，可以顯著減少碳排放。

2.2 核技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應用

2.2.1工業(yè)輻照技術(shù)

工業(yè)輻照技術(shù)是利用射線對物質(zhì)進行輻照處理的技術(shù)。通過輻照可以改變材料的性能、提高產(chǎn)品的質(zhì)量和延長使用壽命。與傳統(tǒng)的熱處理、化學處理等方法相比，工業(yè)輻照技術(shù)具有無污染、高效等優(yōu)點。在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應用工業(yè)輻照技術(shù)可以顯著降低能源消耗和碳排放，如利用電子束輻照技術(shù)對聚合物材料進行改性處理，可以提高其機械性能和耐候性能，從而延長產(chǎn)品的使用壽命，減少因產(chǎn)品更換而產(chǎn)生的碳排放。

2.2.2核測量技術(shù)

核測量技術(shù)是利用放射性同位素或射線進行測量和檢測的技術(shù)。在工業(yè)領(lǐng)域中核測量技術(shù)廣泛應用于厚度測量、密度測量、物位測量等方面。通過利用核測量技術(shù)可以實現(xiàn)非接觸式、高精度的測量方式提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量同時降低能源消耗和碳排放。如，利用放射性同位素進行厚度測量，可以避免傳統(tǒng)機械測量方法中的接觸磨損和誤差，提高測量精度和效率。

2.2.3海水淡化

雖然海水淡化本身不能直接降低工業(yè)碳排放，但是通過使用核能來驅(qū)動海水淡化的過程，可以為那些缺水且需要大量水資源的工業(yè)區(qū)域提供可持續(xù)的淡水供應，如石化工業(yè)、食品加工等。這種應用減少了化石燃料消耗和相應的碳排放。

2.3 核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應用

2.3.1輻照育種技術(shù)

輻照育種技術(shù)是利用射線誘發(fā)植物基因突變進而選育出優(yōu)良品種的技術(shù)。通過輻照育種可以培育出抗病、抗蟲、高產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)作物品種，可減少化肥和農(nóng)藥的使用量，從而降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的碳排放。同時，優(yōu)良品種的推廣，還可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量滿足人們對食品多樣化的需求，減少因食品短缺而產(chǎn)生的碳排放[4]。

2.3.2核素示蹤技術(shù)

核素示蹤技術(shù)是利用放射性同位素作為示蹤劑研究物質(zhì)運動規(guī)律和生物代謝過程的技術(shù)。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，核素示蹤技術(shù)廣泛應用于土壤養(yǎng)分吸收利用、植物生理代謝等方面的研究。通過利用核素示蹤技術(shù)可以深入了解植物對養(yǎng)分的吸收和利用過程，為合理施肥提供科學依據(jù)，可減少因過量施肥而產(chǎn)生的碳排放。同時，該技術(shù)還可用于研究植物對水分的吸收和蒸騰作用，為節(jié)水灌溉提供技術(shù)支持，降低因灌溉而產(chǎn)生的碳排放。

2.3.3輻射滅螟技術(shù)

輻射滅螟技術(shù)是一種通過放射性同位素標記和控制害蟲種群的方法，特別是對于那些對作物造成嚴重損害的害蟲。通過釋放經(jīng)過輻射處理的不育昆蟲，來減少害蟲的生育能力，從而控制其種群數(shù)量。這種方法減少了對化學農(nóng)藥的依賴，有助于降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的碳足跡。

3核技術(shù)的降碳案例分析

3.1能源領(lǐng)域降碳案例及分析

3.1.1中廣核清潔能源項目

中廣核在全國范圍內(nèi)運營著多個核電機組和新能源場站。自1994年以來，中廣核的清潔能源項目已累計上網(wǎng)電量超過24057.28億kWh。這些清潔電力的生產(chǎn)，等效減少了標準煤消耗72478.22萬t，減排二氧化碳201422.68萬t。這一成績，相當于種植了540.44萬hm2的森林，為節(jié)能降碳做出了顯著貢獻。

3.1.2中核集團田灣核電站蒸汽供能項目

該項目是我國首個工業(yè)用途的核能供汽工程，正在為連云港徐圩新區(qū)石化基地提供清潔能源。核能供汽利用核電站的熱量供應工業(yè)蒸汽，不僅滿足了石化產(chǎn)業(yè)的用汽需求，還有效降低了綜合能耗和環(huán)境污染。這種新途徑的應用，進一步推動了核能從單一發(fā)電向綜合利用的轉(zhuǎn)變，為工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能降碳提供了新的解決方案。

3.1.3山東海陽核電廠核能供暖工程

該工程利用核電廠產(chǎn)生的熱量為城市居民提供供暖服務。與傳統(tǒng)的燃煤供暖相比，核能供暖不僅減少了大量的二氧化碳排放，還提高了供暖效率。據(jù)統(tǒng)計，“暖核一號”項目在5個供暖季中累計對外提供清潔熱量820萬GJ，減少原煤消耗73萬t，減排二氧化碳134萬t，顯著降低了碳排放強度，為海陽市、乳山市的40萬居民提供了清潔、高效的供暖服務。

3.2工業(yè)領(lǐng)域降碳案例及分析

3.2.1中金公司輻照滅菌項目

中金公司利用鈷-60輻照技術(shù)進行滅菌，是國內(nèi)較早從事輻照技術(shù)應用的企業(yè)，其服務包括為醫(yī)療器械、藥品、食品等生產(chǎn)提供輻照滅菌服務。與傳統(tǒng)的熱力滅菌方法相比，鈷-60輻照技術(shù)無需加熱，因此節(jié)省了大量的能源消耗。此外，由于輻照過程無需添加任何化學物質(zhì)，也可減少廢棄物和有害物質(zhì)的產(chǎn)生，從而降低了對環(huán)境的污染。這種高效、環(huán)保的滅菌方法不僅提高了產(chǎn)品質(zhì)量，還有助于企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能降碳的目標。

3.2.2大港油田放射測井技術(shù)

大港油田在勘探和開發(fā)過程中，廣泛采用了放射性測井和中子測井等核測量技術(shù)，來確定地層的物性參數(shù)和含油性。核測量技術(shù)具有高精度和高效率的特點，能夠快速準確地獲取地層信息，指導油田的開發(fā)和生產(chǎn)。與傳統(tǒng)的勘探方法相比，核測量技術(shù)不僅提高了勘探效率，還降低了勘探過程中的能源消耗和碳排放。通過優(yōu)化油田開發(fā)方案，不僅能減少不必要的鉆探和開采活動，還能降低能源消耗和碳排放。

3.2.3浙江三門核電站海水淡化工程

浙江三門核電站海水淡化工程是利用核電站產(chǎn)生的低品位熱量進行海水淡化的典型案例。該工程結(jié)合了核電與海水淡化技術(shù)，為沿海地區(qū)提供了穩(wěn)定的淡水供應。利用核電站產(chǎn)生的低品位熱量進行海水淡化，無需額外的化石燃料消耗，從而顯著降低了碳排放。與傳統(tǒng)的海水淡化方法相比，這種方法不僅節(jié)能而且環(huán)保。同時，海水淡化是解決沿海地區(qū)水資源短缺的重要途徑，核能海水淡化技術(shù)為沿海地區(qū)提供了可持續(xù)的淡水供應方案，降低了因遠距離調(diào)水而產(chǎn)生的能源消耗和碳排放。

3.3農(nóng)業(yè)領(lǐng)域降碳案例及分析

傳統(tǒng)的害蟲防治方法主要依賴化學農(nóng)藥。然而，長期使用農(nóng)藥不僅會對環(huán)境造成污染，還會增加害蟲的抗藥性。通過核輻射技術(shù)防治害蟲，可以顯著減少化學農(nóng)藥的使用量，從而降低農(nóng)藥生產(chǎn)和使用過程中的能源消耗和碳排放。在新疆地區(qū)，棉花是重要的經(jīng)濟作物，生長過程中常受到各種害蟲的侵擾，嚴重影響棉花的產(chǎn)量和質(zhì)量。為了有效防治害蟲，提高棉花產(chǎn)量，新疆農(nóng)業(yè)部門引入了核輻射技術(shù)。農(nóng)業(yè)專家先對當?shù)孛藁êοx進行了詳細的鑒定，確定了主要害蟲種類，然后利用鈷-60放射源產(chǎn)生的γ射線對害蟲進行輻射處理。輻射劑量經(jīng)過精確計算，不僅可確保有效殺滅害蟲，也不會對環(huán)境和棉花造成負面影響。經(jīng)過輻射處理的害蟲被大量釋放到棉田中，已經(jīng)失去了繁殖能力。當它們與野生害蟲交配后，無法產(chǎn)生可育的后代，從而有效控制了害蟲的數(shù)量。

4核技術(shù)的安全保障措施

核技術(shù)利用過程中，特別是在節(jié)能降碳領(lǐng)域的應用時，安全始終是首要考慮的問題。由于核技術(shù)本身的特殊性和潛在的風險，因此要求必須嚴格落實安全保障措施，以確保人員安全和環(huán)境安全。一是，對于核技術(shù)設(shè)備的操作必須嚴格遵守操作規(guī)程，所有操作人員都應接受專業(yè)的核技術(shù)與安全培訓，并在取得相應的操作資質(zhì)后方可上崗。二是，核技術(shù)設(shè)施的防護措施必須完善，這包括但不限于輻射防護、設(shè)備安全防護及應急處理系統(tǒng)的建設(shè)，特別是在輻射防護方面，一定要確保工作人員和公眾受到的輻射劑量低于安全限值。三是，建立完善的核事故應急響應機制，一旦發(fā)生事故，能夠迅速啟動應急預案，有效地控制事態(tài)，減輕事故后果，同時定期開展應急演練，提高人員的應急反應能力和協(xié)同作戰(zhàn)能力。四是，重視核技術(shù)設(shè)施的維護和檢修，定期的設(shè)備檢查、維修和更新是確保設(shè)施安全運行的關(guān)鍵，由于任何設(shè)備的老化或損壞都可能成為安全隱患，因此必須予以高度重視。五是，信息記錄和檔案管理也是保障核技術(shù)安全利用的重要環(huán)節(jié)。通過詳細記錄設(shè)施運行數(shù)據(jù)、事故處理記錄等信息，可以為后續(xù)的安全管理和事故分析提供寶貴的數(shù)據(jù)支持。

5核技術(shù)的創(chuàng)新方向

核技術(shù)應用產(chǎn)業(yè)在其整個生命周期中排放總量較小，但是其產(chǎn)值相對較大，屬于環(huán)境友好型產(chǎn)業(yè)，順應了低碳發(fā)展、清潔生產(chǎn)、綠色發(fā)展的趨勢，符合經(jīng)濟發(fā)展要求，有利于促進“雙碳”目標的實現(xiàn)。鑒于此，應進一步加強核技術(shù)在“雙碳”領(lǐng)域中的應用與創(chuàng)新，促進核技術(shù)應用及產(chǎn)業(yè)發(fā)展[5]。

5.1持續(xù)研發(fā)與創(chuàng)新

隨著科技的進步，核能技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新將成為未來發(fā)展的重要方向。如，開發(fā)更高效的核反應堆技術(shù)、提高核燃料的利用率、研究核廢料的處理方法等，可進一步提高核能在節(jié)能降碳領(lǐng)域的貢獻。

5.2與其他可再生能源融合發(fā)展

核技術(shù)可以與其他可再生能源技術(shù)相結(jié)合，形成互補優(yōu)勢。如，核能與風能、太陽能等可再生能源的融合發(fā)展，可提高能源供應的穩(wěn)定性和可持續(xù)性，進一步降低碳排放。

5.3創(chuàng)新應用和碳捕獲與封存領(lǐng)域

核技術(shù)還可以應用于碳捕集與封存技術(shù)（CCS）領(lǐng)域。通過利用核技術(shù)提供的能量來驅(qū)動CCS過程，可更高效地捕獲和封存大氣中的二氧化碳，從而降低碳排放。

結(jié)語

在早日實現(xiàn)“雙碳”目標的背景之下，核技術(shù)具有廣泛的應用前景和創(chuàng)新空間。目前，核技術(shù)可應用于核能發(fā)電、核能供熱，以及應用在工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。未來，隨著核技術(shù)的不斷研發(fā)與創(chuàng)新，可進一步挖掘和發(fā)揮核技術(shù)在節(jié)能降碳方面的潛力，為全球節(jié)能降碳事業(yè)做出更大貢獻。

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作者簡介

高文翰（1986—），男，漢族，天津人，高級工程師，碩士，研究方向為環(huán)境影響評價、核與輻射環(huán)境保護咨詢。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-04-12