新核能讓你忘記切爾諾貝利

李穎娟

最近，美國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)了兩種新反應(yīng)堆。超高溫反應(yīng)堆可以兼顧安全和效率，改良的鈉冷卻反應(yīng)堆會(huì)減輕廢料帶來的問題。

1951年12月20日，美國(guó)愛達(dá)荷州Arco小鎮(zhèn)外，當(dāng)串在一起的四盞100瓦燈泡，閃爍出越來越耀眼的光芒時(shí)，人類首次成功地用上了核能。

與煤炭和石油化工燃料不同，核裂變是核能爆發(fā)的關(guān)鍵，它放射出的物質(zhì)沒有二氧化碳。一個(gè)核反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量來自其內(nèi)部的能源棒，而每一個(gè)能源棒都充滿了鈾氧化物。每當(dāng)內(nèi)部的中子撞擊鈾原子的時(shí)候，原子就一分為二，同時(shí)散發(fā)出能量，并釋放更多的鈾原子，新產(chǎn)生的鈾原子又與其他的原子互相碰撞，從而形成了一個(gè)反應(yīng)鏈。這個(gè)過程中積累的熱量能使水變?yōu)檎羝M(jìn)而推動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能。

由于鈾原子裂變所產(chǎn)生的能量是燃燒煤炭所產(chǎn)生能量的一千萬(wàn)倍，因此理論上，核能是最具效率和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的能源。

具體來說，一座百萬(wàn)千瓦的火電站需要260萬(wàn)噸煤，而核電站只需要30噸的鈾原料就可以。核電站一年產(chǎn)生的二氧化碳僅是同等規(guī)模燃煤電站排放量的1.6%，核電站不排放二氧化硫、氮氧化物和煙塵。此外，核電成本優(yōu)勢(shì)突出。目前國(guó)際上成熟的核電成本普遍低于煤電成本，法國(guó)核電成本是煤電成本的0.57倍，日本是0.66倍，美國(guó)在1962年就已經(jīng)低于煤電成本。

核能到底有多危險(xiǎn)

但是，在近60年中，對(duì)于核能，公眾更關(guān)心的是，核能可能帶來的危害事件和能源廢料。科學(xué)家還需要找到一個(gè)可行的、安全的、合乎法律的廢料處理方式?！盁o(wú)論你支持還是反對(duì)，我們都已經(jīng)在燃燒能源了，” 1976年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主Burton Richter說，“現(xiàn)在，6萬(wàn)噸燃料正在反應(yīng)堆里燃燒著”。

其實(shí)，內(nèi)部人員比很多人更了解核設(shè)施的安全性。在美國(guó)的土地上，還沒有一個(gè)人死于核事件；相反的是，從“大氣凈化力量”環(huán)保組織2004年的報(bào)告中顯示，美國(guó)每年有兩萬(wàn)四千人死于化工燃料產(chǎn)生的氣體。正如綠色心靈組織的環(huán)保人士Moore所說：“在減少化工燃料的使用上，沒有任何技術(shù)能比核能做得更多?！?/p>

目前，在第二代核反應(yīng)堆技術(shù)中，其安全系數(shù)已經(jīng)能夠達(dá)到一萬(wàn)個(gè)堆平均一年可能會(huì)發(fā)生一次堆心溶化的低概率。而在日本的第三代ABW2技術(shù)，則就到了10萬(wàn)個(gè)堆年可能發(fā)生一次堆心溶化。

在新技術(shù)使用前，“全世界范圍內(nèi)除了深度掩埋核廢料，還沒有更好的辦法?！狈姨mTVO公司的副總裁安尼利·尼古拉表示。該公司在芬蘭運(yùn)營(yíng)兩座第二代核電站，他們采取的辦法是將廢料埋到深度在100米以下的巖石坑。而未來芬蘭所有核電站的廢料都計(jì)劃放置在400米深的巖石倉(cāng)庫(kù)里。

具體而言，處理核廢料，國(guó)際流行的辦法，除了污染較大的“適當(dāng)包裝、儲(chǔ)存，一起直接處置”，還有一種“分離-嬗變戰(zhàn)略”。其原理是先將乏燃料進(jìn)行化學(xué)分離，再用嬗變裝置將少數(shù)危險(xiǎn)大、壽命長(zhǎng)的毒素轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的核素或是壽命相對(duì)較短的核素。

超高溫反應(yīng)堆：提升50％效率

最近，美國(guó)愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（INL）研發(fā)了兩個(gè)新的設(shè)計(jì)：超高溫反應(yīng)堆（VHTR）和鈉冷卻反應(yīng)堆（SFR）。兩者的安全特性結(jié)合起來就可以防止反應(yīng)堆熱量過高和放射性物質(zhì)的泄漏?？茖W(xué)家希望這些新發(fā)明能夠最終抹去人們對(duì)“三里島”核泄露及“切爾諾貝利”事件的痛苦回憶，同時(shí)推動(dòng)核工業(yè)的發(fā)展。

切爾諾貝利核電站事件的主要原因是因?yàn)槠洳捎昧诉^時(shí)的技術(shù)，而且它的這種堆型本身在設(shè)計(jì)上就是存有缺陷的。按照核反應(yīng)堆安全保護(hù)的相關(guān)要求，在鈾裂變產(chǎn)生熱量時(shí)，反應(yīng)堆的工作應(yīng)該是負(fù)溫度效應(yīng)：當(dāng)溫度逐步升高時(shí)，核反應(yīng)堆的反應(yīng)性就會(huì)呈反方向地逐步下降；而反應(yīng)性下降，其產(chǎn)生的能量也就會(huì)隨之減少，這樣就能將溫度逐步降下來。如此反復(fù)循環(huán)，使反應(yīng)堆中堆心（堆放核燃料并燃燒工作的地方）的溫度始終能夠保持一個(gè)合理的范圍內(nèi)。而切爾諾貝利核電站當(dāng)時(shí)采用的是正溫度效應(yīng)，應(yīng)堆工作越久，溫度就一直上升，到后來就把堆心給溶化掉了，加之又沒有建造安全殼，缺乏第四道保護(hù)屏障。所以產(chǎn)生了核爆炸泄露事件。

而1979年美國(guó)三里島核電站在發(fā)生事故時(shí)，由于有了防護(hù)墻，雖然造成了堆心溶化事件，但放射性物質(zhì)并沒有對(duì)外泄露。

這次美國(guó)科學(xué)家研發(fā)的超高溫反應(yīng)堆，有一個(gè)由石墨制造的反應(yīng)堆核心，可以在非常高的溫度下仍然保持硬度和形狀不變。氦氣將反應(yīng)堆冷卻，并且把熱量輸送到外核。反應(yīng)堆利用二氧化鈾粒子來保證在高溫下不發(fā)生擠壓和放射出裂變物質(zhì)，而且這些粒子也都是覆蓋著一層石墨的。因此，超高溫反應(yīng)堆能夠把氦加熱到1000攝氏度（1800華氏度）以上——這是目前存在的反應(yīng)堆能達(dá)到溫度的三倍。進(jìn)而氦的熱量能夠產(chǎn)生蒸汽來推動(dòng)發(fā)電機(jī)。

與切爾諾貝利反應(yīng)堆不同的是，超高溫反應(yīng)堆是負(fù)溫度效應(yīng)，這意味著反應(yīng)堆永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到足以讓自己崩潰的高溫?！盁o(wú)論人們做錯(cuò)了什么”INL 的科學(xué)家McCarthy說，“假如有任何異常的事情發(fā)生，設(shè)備就會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。”

超高溫反應(yīng)堆發(fā)電的效率大概比全美效率最高的反應(yīng)堆高40%多。它產(chǎn)生的熱量還可以供附近的工廠使用。該設(shè)備能夠利用高溫蒸汽電解分離水分子，進(jìn)而生產(chǎn)氫燃料。因此，它在生產(chǎn)氫能源方面的效率比現(xiàn)存設(shè)備要高50%。2005年美國(guó)能源部門已經(jīng)授權(quán)INL建造超高溫反應(yīng)堆，它將于2018年到2021年間建成。

但是科學(xué)家首要問題是技術(shù)上的障礙。例如，堅(jiān)硬的新合金可能是保護(hù)反應(yīng)堆里層的必需物品?！暗壳胺磻?yīng)堆的材料時(shí)常不能匹配所應(yīng)承受的溫度和壓力，”Richter說，“即使找到了匹配的材料，為了那些正在建設(shè)中的超高溫反應(yīng)堆設(shè)備，可能還要花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)的美元?！?/p>

鈉冷卻反應(yīng)堆：可以燃燒廢料

鈉冷卻反應(yīng)堆依附于一個(gè)全新的裂變概念：即用核燃料集中撞擊鈾原子和中子。這將產(chǎn)生比當(dāng)前熱反應(yīng)堆多近百倍的能量，并且只需要使用燃料潛在能量的1%就可以了。鈉冷卻反應(yīng)堆還可以燃燒其他反應(yīng)堆的核能棒，消耗鈾濃縮過程中剩下的鈾，減輕核廢料產(chǎn)生的問題。美國(guó)原子能工業(yè)專家組的科學(xué)家估計(jì)，鈉冷卻反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量足以滿足美國(guó)人本世紀(jì)的需要。二次燃燒核能棒還能減短放射物質(zhì)衰減的時(shí)間；反應(yīng)完成后的廢料會(huì)在一百多年后就消失，而并非幾百年。

不幸的是，鈉冷卻反應(yīng)堆中用于傳送內(nèi)核熱量的鈉叫人憂喜參半。不像水，液態(tài)鈉只是一種理想化的冷卻劑，它并不能阻止快中子的運(yùn)動(dòng)。雖然在正常的大氣壓力下運(yùn)行，它也能提高安全性。但是液態(tài)鈉不能傳熱，這使得它很難對(duì)反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)的熱量傳輸進(jìn)行監(jiān)控。為了彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，INL的研究人員正在研制一個(gè)電腦模擬器，用來模擬液態(tài)鈉在快速反應(yīng)堆中的運(yùn)行情況。

因?yàn)榉磻?yīng)堆有燃燒廢料的能力，一個(gè)改良的鈉冷卻反應(yīng)堆最終能夠減輕廢料帶來的問題。然而即使是在最佳狀況下，二次使用的燃料仍舊會(huì)產(chǎn)生足以影響幾個(gè)世紀(jì)的放射性危害。核工業(yè)還將不得不繼續(xù)面對(duì)人們對(duì)反應(yīng)堆的極度恐懼。