--21世紀核能面臨的未來挑戰-- *克里斯·巴拉努克*
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。
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？
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。'"
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。
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）
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。
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）。
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）
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。
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）
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。"
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）
核能開發和應用的意義
人類認識到核能存在的歷史到現在還不足百年，但核能開發、應用的重要性已經被世界各國普遍接受。核能的開發、應用越來越受到極大的關註。據世界能源理事會統計,2002年全世界一次能源消費中,核能已占總量的6%,應用最廣泛的核電,已占發電總量的17%。
1.化石能源的環境效應日趨嚴重
目前,人類實際應用的主要能源還是煤、石油、天然氣等化石能源。大量化石能源的開采對地表環境造成了嚴重破壞,化石能源開采,加工、運輸、利用過程中不斷產生嚴重污染人類生存環境的各類廢棄物。化石能源的燃燒過程,產生大量的二氧化碳、甲烷、二氧化硫、氮氧化物。二氧化碳、甲烷被稱之為溫室氣體,溫室氣體產生溫室效應,使全球平均氣溫增高,氣候不斷惡化,海平面逐漸升高,使人類生存環境受到極大破壞。二氧化硫、氮氧化物形成酸雨,對地球土壤和植物形成嚴重威脅。
2.化石能源資源越來越少
化石能源是不可再生能源,用一點就會少一點,即使我們不考慮化石能源對環境的不良影響,地球上現有的化石能源資源也不足以支持人類經濟活動的長期進行。目前已探明的化石能源儲量中煤炭可經濟開發量約為10391億t,石油約為1900億t,天然氣約為150萬億m^3。按當前的開采量計算,煤炭尚可開采200多年,石油可開采40年,天然氣可開采70年。如此有限的資源量已對人類經濟活動的持續發展構成了直接威脅,因此,加快開發替代能源已成為世界性的重大課題。
3.核能在替代能源中占有重要地位
核能是清潔能源,核能的利用過程不產生化石能源產生的煙塵、二氧化碳、氮氧化物和二氧化硫,不會造成溫室效應及酸雨。核鏈式裂變反應釋放出的熱量十分巨大,以鈾和鈈為例,1000g的鈾-235裂變反應釋放的熱量相當於燃燒2500t標煤，1000g的鈈-239裂變釋放的熱量相當於燃燒3000t標煤。建設一個1000MW的燃煤電廠每年需要3Mt的燃煤,而建設一個1000MW的核電站每年僅需要30t核燃料。核電站的燃料費用要比燃煤電廠低得多。核能的利用具有很大的地域靈活性。由於化石能源資源分佈的不均衡性,往往影響了經濟活動的正常開展,例如我國經濟活動最活躍的地區集中在東、南沿海地區,而化石能源資源多分佈在西部、北部地區。這種不均衡性造成了北煤南運,西電東送的不合理能源供應佈局,而核能利用在地域上的靈活性恰恰可以解決這一問題、核能的利用也具有比較明顯的經濟性。目前核電的建設成本比火電建設成本高約50%~80%,而核電的運行成本只相當於火電的50%,隨著科學技術的發展,建設成本和運行成本會逐漸下降,核能的利用將會顯現出更大的經濟性優勢。
更為重要的是核能的資源可供人類長期利用。地殼中鈾元素的含量是平均每噸3g,這個含量大約是金子含量的1000倍.人們總是在鈾含量遠遠高出平均含量的含鈾礦脈進行開采。世界上鈾礦最豐富的地區是加拿大、澳大利亞、哈薩克和北美。據統計,全世界可靠鈾礦資源約為450萬t,目前世界上鈾礦消耗的速率是每年6萬t,這些鈾礦資源可夠慢中子反應堆使用大約70年。如採用先進的核能迴圈利用技術和更為先進的快中子反應堆,目前的鈾資源可供人類使用數千年甚至1萬年。前景更為廣闊的是核聚變能,如果實現可控核聚變,僅目前地球錶面,水體中所含的氘就可滿足人類幾十億年的能源需求。
正是由於核能所具有的特點,使其在可替代能源如水能、風能、太陽能、生物質能中占據了很重要的地位,成為不可缺少的替代能源。
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