核能驱动的大规模直接空气捕集技术：应对气候变化的革命性解决方案及其经济环境效益评估

为应对全球变暖挑战，研究人员创新性地提出将核能与直接空气捕集(DAC)技术结合，构建专用核-DAC设施。通过技术经济评估和不确定性量化分析，证实该方案在2050年可实现101.6(71.3–153.9)$/ton CO2的中位去除成本，显著低于预期碳价。研究为突破BECCS土地限制、实现千兆吨级负排放提供了可扩展路径，同时揭示了高温核反应堆联产绿色甲醇的潜在协同效益。

　　

全球气候变化已成为人类面临的重大挑战，大气中CO₂浓度从工业革命前的280 ppm飙升至2024年的424 ppm。尽管国际社会大力推动减排，但"实施差距"预计到2030年仍将高达24-27 Gton CO₂当量/年，使得本世纪中叶实现净零排放的目标岌岌可危。传统生物能源碳捕集与封存(BECCS)技术面临土地资源限制，而新兴的直接空气捕集(Direct Air Capture, DAC)技术虽具潜力，却因空气中CO₂浓度极低(仅约0.04%)导致能耗过高。如何为DAC提供经济可行的低碳能源，成为决定该技术能否规模化应用的关键瓶颈。

针对这一挑战，研究人员创新性地提出将核能与DAC深度整合的技术路线。核电站通常有约三分之二的能量以废热形式损失，而DAC的吸附剂再生正好需要大量低温热源(约100°C)。通过将DAC单元作为核电站朗肯循环的冷凝器，可实现能源的梯级利用。研究团队设计了两套系统：参考电厂采用300°C的第三代压水堆技术，专门优化热/电输出比例以满足DAC需求；先进电厂则采用600°C的第四代高温反应堆，在满足DAC需求的同时，利用剩余电力通过质子交换膜(PEM)电解水制氢，进而与部分捕集的CO₂合成绿色甲醇。

研究采用UniSim Design R492进行流程模拟，结合标准化经济评估(SEA)工具开展技术经济分析。关键创新在于将DAC单元建模为"黑箱"，其热力学参数基于固体吸附剂(S-DAC)技术设定，包括5.4 GJ_t/tCO₂的热能需求和0.91 GJ_e/tCO₂的电力需求。通过拉丁超立方抽样进行了包含1000次模拟的蒙特卡洛不确定性分析，考察了DAC成本、核电厂造价、吸附剂价格等11项关键参数的影响。

3.1 技术与环境性能
参考电厂和先进电厂分别实现19%和39.5%的热效率，年均可捕集13 MtCO₂。先进电厂通过高温运行额外产生1 GW净电力，可日产2700吨甲醇，整体甲醇合成效率达54.3%。这种联产模式既实现了CO₂负排放，又生产了可替代化石燃料的绿色化学品。

3.2 经济性结果
基准情景下，参考电厂和先进电厂的CO₂去除成本中位数分别为101.6和108.0 /ton。成本构成分析显示，DAC设备资本支出占比最高(约40/ton时即可与参考电厂成本持平，这一价格接近当前化石甲醇在100 $/ton碳价下的成本。

3.3 不确定性量化
敏感性分析揭示DAC资本成本是最关键变量，每增加50%会导致成本上升60 /ton。贴现率影响位列第二，印证了此类资本密集型项目对融资成本的高度敏感。先进电厂对参数变化更为敏感，其90/ton)较参考电厂(71.3–153.9 $/ton)更宽，主要源于额外的不确定性因素如电解槽成本和甲醇售价。

3.4 大规模部署影响
研究表明，核-DAC技术具有独特优势：1) 可选址在核电建设成本最低的地区(如中国、韩国)，利用大气作为"免费"的CO₂输运网络；2) 偏远选址能规避公众对核能的抵触；3) 每减排全球10%温室气体需新增约当前全球核电容量的专用机组。但同时也面临三重约束：适宜选址需同时满足核能友好、CO₂封存条件和气候适宜性；需要建立国际负排放信用机制；若增殖反应堆未能商业化，铀资源或成限制因素。

这项发表在《International Journal of Greenhouse Gas Control》的研究具有重要政策启示。核-DAC技术可能在未来形成"碳价天花板"，使减排成本高于100 /ton的行业转向"排放+抵消"模式。研究特别指出，国际能源署(IEA)预测的2050年碳价(>200/ton)将确保该技术的经济可行性，但需要建立跨国补偿机制，使核-DAC枢纽国(如中国)的负排放能抵扣其他国家的正排放。这种新型气候治理模式，或将成为实现《巴黎协定》目标的关键创新路径。