中国燃煤电厂在绿色低碳转型背景下的大气放射性排放：历史演变与预计下降趋势

《Resources, Conservation and Recycling》：Atmospheric radioactive emissions from coal-fired power plants in China under green and low-carbon transition: Historical evolution and projected decline

　　付志强|郭中玲|廖新晨|姚泽辉|杨俊奇|任家豪|李学涵|范伟毅|田和忠
北京师范大学环境学院区域环境与可持续发展国家重点实验室，北京，100875，中国

**摘要**
燃煤电厂（CFPPs）排放的钍（Th）和铀（U）对环境和辐射健康构成潜在风险，但迄今为止缺乏全面的长期估算数据。本研究采用质量平衡方法和多源数据，建立了中国燃煤电厂1949年至2022年钍和铀的多年排放清单，并进一步分析了其在能源转型情景下的时空分布、驱动因素及未来趋势。结果显示，这两种元素的排放量在2005年达到峰值，此后显著下降，到2022年分别减少了87.1%和88.3%。从空间分布来看，排放主要集中在煤炭资源丰富且能源需求较高的地区。历史上，产能扩张是排放量增加的主要原因；而近年来，煤炭使用强度的降低、发电效率的提高以及污染控制措施的加强则是排放量减少的主要因素。为应对气候目标并实现深度减排，预计排放量将在2030年前达到峰值，随后急剧下降，到2050年几乎完全消除。本研究为中国能源转型期间的辐射风险管理及有针对性的减排措施提供了关键数据和见解。

**引言**
煤炭作为全球能源生产和消费的基石，天然含有多种元素，其中包括具有放射性的钍（Th）和铀（U）（Dai等人，2021；Mishra等人，2023；Patel等人，2023）。在燃煤电厂的燃烧过程中，这些元素被释放到环境中，由于其放射性，对生态系统和人类健康构成不可忽视的风险（Wang等人，2024；Yang等人，2020）。值得注意的是，钍的单位活性辐射毒性更高，而铀则具有更大的环境迁移性和转化潜力，因此需要针对这两种放射性核素进行差异化的风险评估（Rump等人，2023）。钍和铀的释放不仅会导致大气污染，还会通过干沉降和湿沉降污染土壤和水资源（Kumar等人，2021；Kumar等人，2022），长期暴露可能与癌症（Akash等人，2022）、肺部疾病（Das等人，2024；Yu等人，2022）及其他辐射相关疾病（Savabieasfahani等人，2020；Wang等人，2016）的发病率增加有关。这一环境和公共卫生问题在以煤炭为基础的能源系统较为集中的地区尤为突出。作为全球最大的煤炭消费国，中国的能源结构为研究放射性元素排放的演变提供了重要背景（Lauer等人，2017）。因此，对这些典型能源系统进行科学研究对于阐明这些元素的环境归趋并制定有效的减排策略至关重要（Ren等人，2022）。

作为煤炭的主要消费国，燃煤电厂在能源生产和消费中起着关键作用，成为放射性元素排放的主要来源，引发了公众的广泛关注（Yeasmin等人，2025；Yuan等人，2018）。近年来，国内外大量研究聚焦于燃煤电厂放射性元素排放对周围环境的影响（Ahmed等人，2020；Liu等人，2016）。研究表明，煤炭中的放射性核素在燃烧过程中会在飞灰中富集，并通过大气过程扩散，导致局部放射性显著增加（Baba，2002），其环境影响甚至超过了同等规模的核电站（Mishra，2004）。然而，目前尚缺乏燃煤电厂钍和铀的长期全国性排放清单。现有的清单时间覆盖范围有限，区域源数据过时（Chen等人，2018；Chen等人，2021），主要集中在铀的排放上，无法全面评估历史累积风险，也无法反映近期政策措施的效果。例如，自2014年以来超低排放（ULE）改造的广泛应用显著提高了常规颗粒物和放射性元素的协同去除效率，更清洁的煤炭利用方式也有助于控制飞灰排放，从而减少了钍和铀的排放（NEA，2015）。此外，先进发电技术的采用提高了发电效率，减少了单位电力所需的煤炭量，进一步降低了放射性排放。然而，装机容量的持续扩张和煤炭消费量的增加可能会抵消这些减排效果，使整体环境影响评估变得复杂。在此背景下，中国提出的到2030年达到碳排放峰值、2060年实现碳中和的双碳目标凸显了改造燃煤电厂和替代可再生能源的紧迫性。因此，探索在这些目标下的钍和铀排放趋势对于制定有效的污染控制策略和支持电力行业的绿色低碳转型至关重要。

据我们所知，本研究是首次建立中国过去70年燃煤电厂典型放射性元素排放的全面清单。首先，基于文献回顾和现有数据集编制了一个详细的数据库，涵盖了燃煤电厂的运行水平、煤炭中钍和铀浓度的时空变化，以及影响这些元素在燃烧过程中行为的关键参数（包括不同发电技术和空气污染控制设备配置下的释放比例和去除效率）。利用这些数据库和质量平衡方法，我们量化了1949年至2022年燃煤电厂的钍和铀排放量，分析了其时空分布及影响排放趋势的主要因素，并预测了在不同能源转型和污染控制情景下的未来排放趋势。本研究有助于更全面地理解煤炭燃烧过程中人为产生的放射性元素及其潜在的环境影响，为制定减少放射性排放和促进燃煤电力行业清洁、可持续转型的策略提供了科学依据。

**部分摘录**
**燃煤电厂典型放射性元素排放估算**
本研究采用质量平衡方法，整合了详细的活动数据，建立了1949年至2022年中国燃煤电厂典型放射性元素（钍和铀）的全面排放清单。排放量根据以下公式（1）进行估算：
**Ei,j,k = Ci,j × Rj,k × FCi,j × ∏(1?ηkm)**
其中，Ei,j,k表示省份i内电厂j的放射性元素k（钍或铀）的排放量；FCi,j代表煤炭消耗量；Ci,j表示原料中目标元素的浓度。

**燃煤电厂典型放射性元素排放的时间趋势**
自1949年中华人民共和国成立以来，工业化和经济增长持续推动电力需求增长，导致煤炭消费量和燃煤电厂装机容量持续增加。早期几十年（1949–1978年），由于电力需求的增长以及小型、低效燃煤电厂的广泛运行且缺乏有效的排放控制，大气中的钍和铀排放量稳步上升（见图2）。

**结论与启示**
本研究首次建立了中国燃煤电厂1949年至2022年典型放射性元素钍和铀的长期（1949–2022年）历史排放清单，并利用2018–2022年的点源数据进行了完善，采用了多源质量和平衡方法。随后，详细分析了钍和铀排放的时间和空间分布及其演变趋势。进一步通过LMDICRedI方法阐明了这些变化背后的驱动因素。

**作者贡献声明**
付志强：撰写——审稿与编辑、方法论、研究、概念化；
郭中玲：撰写——初稿、可视化、方法论、形式分析；
廖新晨：研究、数据管理；
姚泽辉：验证、软件应用；
杨俊奇：可视化；
任家豪：验证；
李学涵：数据管理；
范伟毅：研究；
田和忠：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

**致谢**
本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFC3708501，2022YFC3700601）和中国国家自然科学基金（22176014）的支持。感谢编辑和匿名审稿人对本文提出的宝贵意见和建议。