21世纪核能面临的未来挑战
2011年3月11日，星期五，下午4点15分，14米高的海啸冲击了福岛第一核电站的防御海堤。但日本东海岸保护核电厂免受海浪冲击的海堤高度却不超过过5.7米。
随之而来的一场灾难把管理核能这一巨大挑战摆上了台面。 几十年来，人类一直使用着核电。但能源价格、安全性和可再生能源正在改变人们对核电的看法（图片来源: Getty Images） 引发海啸的9.0级地震后，福岛第一核电站的自供电当天早些时候被关闭了一个小时左右。因此，防止反应堆过热的冷却需要柴油发电机机组。但14米高的海啸冲走了柴油箱，瘫痪了大部分柴油发电功能。三座反应堆陷入崩溃的状态。 地震和海啸夺走了该厂3名工人的生命以及当地近1.6万人的生命。超过10万人被迫疏散，核电厂作为灾后大规模繁重清理工作中的重点，花费高达1000亿美元。 经合组织核能署（NEA）总干事马格伍德（William Magwood IV）回忆说："福岛事故期间我在美国核管理委员会，那天机构中的人都感觉灾难不像在日本，是在美国，犹如亲身体验。" 长期以来，核能界一直努力说服怀疑论者，不需要担心核事故和放射性废料的长期危害。 但是目前市场倾向偏好比较便宜的化石燃料（如天然气），而非高昂成本的新建核电站。原子能源能否跟上形势的要求？核能在21世纪会否被继续采用？ 1950年代，核能被许多人视为未来的奇迹燃料，但结果是很大的争议（图片来源: Alamy Stock Photo） 曾经是能源之希望 福岛事件后，核电业"重振精神"，马格伍德补充道，那以后，监管机构和技术人员一直致力于核安全措施和电厂设计，以确保类似事故不再发生。 但重要的是不应低估福岛事件对核工业的影响。部分因为这场灾难，德国决定在2022年之前逐步全面淘汰核电。离福岛较近的一些地区受事件影响更深重，甚至花费多年建立起核能产业的韩国也在考虑规模性减缩。支持日本核电的公众舆论也受到严重冲击。 "福岛事件之际，我正在夏威夷，夏威夷人极度恐惧，很怕核污染波及到这里"先进绿色创新公司（Advanced Green Innovations）的瑞皮尔（Robert Rapier）回忆说："如果在夏威夷，问当地人是否要建核电站，回答一定是'绝对不行，绝对不能在附近。'" 2016年3月，800多示威者，包括一些福岛难民，在东京示威，谴责核能（图片来源: Getty Images） 这与1950年代的乐观相去甚远，当时核能的宣传片说核能会提供无穷无尽的能源，而且不仅供应整个城市的用电，还可以为轮船、飞机和火车直接提供动力。当时核电被理论化为大规模能源，科学家们已经知道核裂变的力量。核能利用的可能性似乎无穷无尽。 但是今天，在某些地方，核能的发展已无法突破。瑞士最近投票决定禁止核电建设并转向投资可再生能源。这表明至少在某些地区，可再生能源赢得了公众的青睐。 然而许多国家仍不放弃核电。 坚持核电政策 今年，中国计划建成五座新反应堆，并开始八座新反应堆的建设。法国仍然非常依赖核能，因为核能提供了其75％的能源。英国最近批准兴建一座3.2千兆瓦的欣克利角（Hinkley Point C）核电厂，将成为英国发电能力最大的电厂。 并非所有的核集会都是反核的。在德黑兰学生举着支持伊朗核计划的标语牌（图片来源: Getty Images） 认为结束核电业是不明智选择的人作出反驳，包括前美国宇航局气候学家汉森（James Hansen）。他们指出，可再生能源的可变性使得对能源的依赖难以为继，特别是大型发达国家。已故的英国前任首席科学顾问马凯（David MacKay）教授也表示，风能、太阳能和源自植物的生物质能需要覆盖大片英国的陆地和海洋，而且成本太高难以提供全国所需能源。 对核能趋势的预测继续是争论的焦点，但支持核能的人认为，实际上核能是获得可靠的基本能源（国家最低能源需求）的唯一途径，而且没有过量碳排放或其他形式的污染问题。 核能利用仍有一些公众印象不佳的问题。对瑞皮尔这样细致的观察者说，电厂可以设计得更安全。他主张采用"无事故保障"系统：即使灾难性的动力损失和备用发电停止，反应堆也能自行降温或进入更安全的运行状态。例如，目前上海应用物理研究所正在研究的熔盐冷却反应堆。理论上，这种核电厂不会发生传统设计中可能发生的熔穿反应堆事故。 因为将反应堆中的核燃料溶解在熔盐中，达到约700℃的高温。随着这种燃料在核裂变期间膨胀，其中一些燃料就会被抛离主反应炉，进入循环回路。这样可以持续监测反应堆的活动。 天价支出 也许眼下业界更担心的是，与其他能源相比，核能价格太高，尤其是天然气最近价格猛跌。比如近来有报道称，美国最新核电站每千瓦时制造能源的花费比最新天然气厂高两美分。这个差异足以令投资者却步，尤其是建造核能设备的花费比建造天然气站也高很多。 核能的拥护者，如美国核能研究所（US Nuclear Energy Institute）的沃尔德（Matthew Wald），主张减少温室气体排放必须与投资核能基础设施结合起来。 "我们觉得市场并未有效运作。因为清洁空气才是市场想要的好处之一，但目前市场并未为此付出代价，"他解释。"美国一些州定下了明确的减少碳排放的目标。" 他建议，美国的电网区域传送机构（这些机构决定如何跨州传送电力供应）可以根据碳排放调整电价，这样才能使清洁能源更有竞争力。但这样很可能需要很强的政治意愿来推动。 马格伍德说，在一些发达国家，这个市场功能已基本"失调"，原因在于那些盯着矿物燃料的投资者目光短浅。他觉得这样会搁置核能，不过也承认建立新核电站花费太高。核电站可以运行50到100年，但投资者仍然难以忍受——因为建立如天然气电厂这样的能源设备会便宜太多。 比如，有人估计，建造和运行英国最新的核能项目欣克利角需花费370亿英镑（470亿美元）。 让旧式核电站报废的过程既危险也成本昂贵，几十年来一直是巨大挑战。这种情况会持续吗？（图片来源: Getty Images） 拆解设备的挑战 如果一座核电站不能再发电，还需要巨资拆解。完成拆解过程要花费数十年，并且由于构造复杂和辐射问题，还存在安全风险。 贾维斯（Kym Jarvis）是维利迪安咨商公司（Viridian Consultants）的科学家兼企业家。他设法创立了一种新技术，将来可以帮助拆解核电站。这种技术叫做Viridiscope，它使用激光切割物体，比如拆卸或融掉一块混凝土墙壁的细片，用来作放射分析。这种技术可以安装在机器人身上，机器人可迅速升高到所需高度，不需设立脚手架。Viridiscope将于2018年春季在英国五个核能区实验试用。 贾维斯和她的同事在研究这类工具，希望能使旧核能厂拆解过程更快更安全。这也许会使核能在21世纪的吸引力不减。但她说，传统的核能行业还不能快速采用这种技术。 "现在还没能好好利用创新做出改变，我觉得业界知道这一点，"她说。 "不过我们注意到，在过去的12到18个月里，业界对接触创新技术的意愿越来越强。" 但是，在这个极其复杂的领域工作会遇到各种麻烦，这是其他行业完全想象不到的。 "我们的设备可能会受污染，甚至完全不能恢复，这一点我们也不能保证，"贾维斯说这是将来可能遇到的其中一个麻烦。 亟待降价 核能基础设施的成本必须降价，高甘（Kirsty Gogan）说。她是人类能源组织（Energy for Humanity）的环境运动倡导者。她建议朝反应堆和反应堆组件的方向发展，这样才更容易在工厂批量生产，价格也更低廉。 最近有人提出，小型"模块化"的反应堆是实现这一目标的潜在方式。也许他们会帮助核能设备成为21世纪更可持续的选择。 开发这些设备的公司，比如NuScale核电公司认为，如果整个业界能更好的理解这些设计，小型反应堆会更容易生产和安装，甚至更安全。 它们更容易被出口到其他国家，并运往新型市场，不过也有其缺点。 这些可移动的小型反应堆便于安装，但需要安全放置。在不同地方建造多个盛放这些小型反应堆的设备，也需要巨额资金。 另一方面，有些人说，在同一地方使用多个小型反应堆比现有大型反应堆设计，令项目在价格和复杂程度上更有竞争力。 为了帮助管理已经到位的核能基础设施，我们可以把侦查和净化工作这类危险工作交给机器人（图片来源: Getty Images） 新反应堆设计？ 新型反应堆设计的研究还在继续。另一个选择是行波反应堆（Travelling Wave Reactor）。这种反应堆会使用已剔除掉的铀——浓缩过程的副产品（浓缩提高了铀-235在材料中的比例，因此可用于常规反应堆）。铀-235能够产生核裂变。在行波反应堆中，小部分铀-235被插入大量的铀-238中。支持者认为，这使能源变得更有效、更可靠。 "它开始繁殖裂变材料——在建立过程中消耗燃料，" 地球能量公司（Terra Power）的首席技术官吉勒兰（John Gilleland）说。他说这样会减少对浓缩工厂的需求。也使核燃料供应链更简单，花费更少。 "可以无限期延续下去。" 事实上，这种反应可以持续数十年。 吉勒兰说，地球能量公司已经准备好在几年内就开始在运行中的反应堆上建造。 如何处理废物？ 当然，还有如何处理核废物的问题。当核燃料，比如铀棒，其内部的原子被中子轰击后，就变成了废物。棒中的一些原子在这个过程中遭到损坏，改变了材料的元素，形成高放射性同位素。 废弃燃料和放射性电厂材料在未来几千年都会是危险物。 许多专家认为，使用深层地质处置库是最好的解决方案。废物罐被密封起来，埋入混凝土和岩石中。 芬兰和德国在制定计划，推动方案。 但设施的长期稳定性从来没有经过测试——不难理解，会给附近的居民带来担忧。 目前，短期能源市场对核能并不有利，但清洁能源倡导者已经开始关注这一行业。 加利福尼亚州是很好的例子，抗议者最近呼吁维持代阿布洛峡谷（Diablo Canyon）核电站的运作。 开设新工厂的成本还负担不起——当中的投资风险肯定会使这些项目迟迟不能开始，因此业界希望政府推出核能友好政策。 但是，核能爱好者有一点说得好， 核电站比许多可再生能源资产，如风力涡轮机等，寿命长得多。 另外，如果精心设计和管理，这种能量资源可以特别干净、安全。 对很多人来说，这就是未来的需要。 "你在建立一个可持续80年的财富，" 沃尔德说，"必须有长远打算。" 请访问 BBC Future 阅读 英文原文。