21世紀核能面臨的未來挑戰

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2011年3月11日,星期五,下午4點15分,14米高的海嘯衝擊了福島第一核電站的防禦海堤。但日本東海岸保護核電廠免受海浪衝擊的海堤高度卻不超過過5.7米。

隨之而來的一場災難把管理核能這一巨大挑戰擺上了台面。

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Image caption 幾十年來,人類一直使用著核電。但能源價格、安全性和可再生能源正在改變人們對核電的看法(圖片來源: Getty Images)

引發海嘯的9.0級地震後,福島第一核電站的自供電當天早些時候被關閉了一個小時左右。因此,防止反應堆過熱的冷卻需要柴油發電機機組。但14米高的海嘯沖走了柴油箱,癱瘓了大部分柴油發電功能。三座反應堆陷入崩潰的狀態。

地震和海嘯奪走了該廠3名工人的生命以及當地近1.6萬人的生命。超過10萬人被迫疏散,核電廠作為災後大規模繁重清理工作中的重點,花費高達1000億美元。

經合組織核能署(NEA)總幹事馬格伍德(William Magwood IV)回憶說:"福島事故期間我在美國核管理委員會,那天機構中的人都感覺災難不像在日本,是在美國,猶如親身體驗。"

長期以來,核能界一直努力說服懷疑論者,不需要擔心核事故和放射性廢料的長期危害。

但是目前市場傾向偏好比較便宜的化石燃料(如天然氣),而非高昂成本的新建核電站。原子能源能否跟上形勢的要求?核能在21世紀會否被繼續採用?

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Image caption 1950年代,核能被許多人視為未來的奇蹟燃料,但結果是很大的爭議(圖片來源: Alamy Stock Photo)

曾經是能源之希望

福島事件後,核電業"重振精神",馬格伍德補充道,那以後,監管機構和技術人員一直致力於核安全措施和電廠設計,以確保類似事故不再發生。

但重要的是不應低估福島事件對核工業的影響。部分因為這場災難,德國決定在2022年之前逐步全面淘汰核電。離福島較近的一些地區受事件影響更深重,甚至花費多年建立起核能產業的韓國也在考慮規模性減縮。支持日本核電的公眾輿論也受到嚴重衝擊。

"福島事件之際,我正在夏威夷,夏威夷人極度恐懼,很怕核污染波及到這裏"先進綠色創新公司(Advanced Green Innovations)的瑞皮爾(Robert Rapier)回憶說:"如果在夏威夷,問當地人是否要建核電站,回答一定是'絶對不行,絶對不能在附近。'"

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Image caption 2016年3月,800多示威者,包括一些福島難民,在東京示威,譴責核能(圖片來源: Getty Images)

這與1950年代的樂觀相去甚遠,當時核能的宣傳片說核能會提供無窮無盡的能源,而且不僅供應整個城市的用電,還可以為輪船、飛機和火車直接提供動力。當時核電被理論化為大規模能源,科學家們已經知道核裂變的力量。核能利用的可能性似乎無窮無盡。

但是今天,在某些地方,核能的發展已無法突破。瑞士最近投票決定禁止核電建設並轉向投資可再生能源。這表明至少在某些地區,可再生能源贏得了公眾的青睞。

然而許多國家仍不放棄核電。

堅持核電政策

今年,中國計劃建成五座新反應堆,並開始八座新反應堆的建設。法國仍然非常依賴核能,因為核能提供了其75%的能源。英國最近批准興建一座3.2千兆瓦的欣克利角(Hinkley Point C)核電廠,將成為英國發電能力最大的電廠。

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Image caption 並非所有的核集會都是反核的。在德黑蘭學生舉著支持伊朗核計劃的標語牌(圖片來源: Getty Images)

認為結束核電業是不明智選擇的人作出反駁,包括前美國宇航局氣候學家漢森(James Hansen)。他們指出,可再生能源的可變性使得對能源的依賴難以為繼,特別是大型發達國家。已故的英國前任首席科學顧問馬凱(David MacKay)教授也表示,風能、太陽能和源自植物的生物質能需要覆蓋大片英國的陸地和海洋,而且成本太高難以提供全國所需能源。

對核能趨勢的預測繼續是爭論的焦點,但支持核能的人認為,實際上核能是獲得可靠的基本能源(國家最低能源需求)的唯一途徑,而且沒有過量碳排放或其他形式的污染問題。

核能利用仍有一些公眾印象不佳的問題。對瑞皮爾這樣細緻的觀察者說,電廠可以設計得更安全。他主張採用"無事故保障"系統:即使災難性的動力損失和備用發電停止,反應堆也能自行降溫或進入更安全的運行狀態。例如,目前上海應用物理研究所正在研究的熔鹽冷卻反應堆。理論上,這種核電廠不會發生傳統設計中可能發生的熔穿反應堆事故。

因為將反應堆中的核燃料溶解在熔鹽中,達到約700℃的高溫。隨著這種燃料在核裂變期間膨脹,其中一些燃料就會被拋離主反應爐,進入循環迴路。這樣可以持續監測反應堆的活動。

天價支出

也許眼下業界更擔心的是,與其他能源相比,核能價格太高,尤其是天然氣最近價格猛跌。比如近來有報道稱,美國最新核電站每千瓦時製造能源的花費比最新天然氣廠高兩美分。這個差異足以令投資者卻步,尤其是建造核能設備的花費比建造天然氣站也高很多。

核能的擁護者,如美國核能研究所(US Nuclear Energy Institute)的沃爾德(Matthew Wald),主張減少溫室氣體排放必須與投資核能基礎設施結合起來。

"我們覺得市場並未有效運作。因為清潔空氣才是市場想要的好處之一,但目前市場並未為此付出代價,"他解釋。"美國一些州定下了明確的減少碳排放的目標。"

他建議,美國的電網區域傳送機構(這些機構決定如何跨州傳送電力供應)可以根據碳排放調整電價,這樣才能使清潔能源更有競爭力。但這樣很可能需要很強的政治意願來推動。

馬格伍德說,在一些發達國家,這個市場功能已基本"失調",原因在於那些盯著礦物燃料的投資者目光短淺。他覺得這樣會擱置核能,不過也承認建立新核電站花費太高。核電站可以運行50到100年,但投資者仍然難以忍受——因為建立如天然氣電廠這樣的能源設備會便宜太多。

比如,有人估計,建造和運行英國最新的核能項目欣克利角需花費370億英鎊(470億美元)。

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Image caption 讓舊式核電站報廢的過程既危險也成本昂貴,幾十年來一直是巨大挑戰。這種情況會持續嗎?(圖片來源: Getty Images)

拆解設備的挑戰

如果一座核電站不能再發電,還需要巨資拆解。完成拆解過程要花費數十年,並且由於構造複雜和輻射問題,還存在安全風險。

賈維斯(Kym Jarvis)是維利迪安諮商公司(Viridian Consultants)的科學家兼企業家。他設法創立了一種新技術,將來可以幫助拆解核電站。這種技術叫做Viridiscope,它使用激光切割物體,比如拆卸或融掉一塊混凝土牆壁的細片,用來作放射分析。這種技術可以安裝在機器人身上,機器人可迅速升高到所需高度,不需設立腳手架。Viridiscope將於2018年春季在英國五個核能區實驗試用。

賈維斯和她的同事在研究這類工具,希望能使舊核能廠拆解過程更快更安全。這也許會使核能在21世紀的吸引力不減。但她說,傳統的核能行業還不能快速採用這種技術。

"現在還沒能好好利用創新做出改變,我覺得業界知道這一點,"她說。 "不過我們注意到,在過去的12到18個月裏,業界對接觸創新技術的意願越來越強。"

但是,在這個極其複雜的領域工作會遇到各種麻煩,這是其他行業完全想像不到的。

"我們的設備可能會受污染,甚至完全不能恢復,這一點我們也不能保證,"賈維斯說這是將來可能遇到的其中一個麻煩。

亟待降價

核能基礎設施的成本必須降價,高甘(Kirsty Gogan)說。她是人類能源組織(Energy for Humanity)的環境運動倡導者。她建議朝反應堆和反應堆組件的方向發展,這樣才更容易在工廠批量生產,價格也更低廉。

最近有人提出,小型"模塊化"的反應堆是實現這一目標的潛在方式。也許他們會幫助核能設備成為21世紀更可持續的選擇。

開發這些設備的公司,比如NuScale核電公司認為,如果整個業界能更好的理解這些設計,小型反應堆會更容易生產和安裝,甚至更安全。

它們更容易被出口到其他國家,並運往新型市場,不過也有其缺點。

這些可移動的小型反應堆便於安裝,但需要安全放置。在不同地方建造多個盛放這些小型反應堆的設備,也需要巨額資金。

另一方面,有些人說,在同一地方使用多個小型反應堆比現有大型反應堆設計,令項目在價格和複雜程度上更有競爭力。

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Image caption 為了幫助管理已經到位的核能基礎設施,我們可以把偵查和淨化工作這類危險工作交給機器人(圖片來源: Getty Images)

新反應堆設計?

新型反應堆設計的研究還在繼續。另一個選擇是行波反應堆(Travelling Wave Reactor)。這種反應堆會使用已剔除掉的鈾——濃縮過程的副產品(濃縮提高了鈾-235在材料中的比例,因此可用於常規反應堆)。鈾-235能夠產生核裂變。在行波反應堆中,小部分鈾-235被插入大量的鈾-238中。支持者認為,這使能源變得更有效、更可靠。

"它開始繁殖裂變材料——在建立過程中消耗燃料," 地球能量公司(Terra Power)的首席技術官吉勒蘭(John Gilleland)說。他說這樣會減少對濃縮工廠的需求。也使核燃料供應鏈更簡單,花費更少。 "可以無限期延續下去。"

事實上,這種反應可以持續數十年。 吉勒蘭說,地球能量公司已經凖備好在幾年內就開始在運行中的反應堆上建造。

如何處理廢物?

當然,還有如何處理核廢物的問題。當核燃料,比如鈾棒,其內部的原子被中子轟擊後,就變成了廢物。棒中的一些原子在這個過程中遭到損壞,改變了材料的元素,形成高放射性同位素。

廢棄燃料和放射性電廠材料在未來幾千年都會是危險物。

許多專家認為,使用深層地質處置庫是最好的解決方案。廢物罐被密封起來,埋入混凝土和岩石中。 芬蘭和德國在制定計劃,推動方案。 但設施的長期穩定性從來沒有經過測試——不難理解,會給附近的居民帶來擔憂。

目前,短期能源市場對核能並不有利,但清潔能源倡導者已經開始關注這一行業。 加利福尼亞州是很好的例子,抗議者最近呼籲維持代阿布洛峽谷(Diablo Canyon)核電站的運作。

開設新工廠的成本還負擔不起——當中的投資風險肯定會使這些項目遲遲不能開始,因此業界希望政府推出核能友好政策。

但是,核能愛好者有一點說得好, 核電站比許多可再生能源資產,如風力渦輪機等,壽命長得多。

另外,如果精心設計和管理,這種能量資源可以特別乾淨、安全。 對很多人來說,這就是未來的需要。

"你在建立一個可持續80年的財富," 沃爾德說,"必須有長遠打算。"

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