核能在凈零世界中的作用

李威/編譯

在能源不斷擺脫化石燃料的過程中，核能是不是扮演了一個不可或缺的角色？

在相關爭議愈演愈烈的同時，新技術(shù)和體積更小的反應堆或許會打破這種平衡。

在超安全核能公司發(fā)布的一段動畫模擬了海嘯摧毀核電站并切斷未來城市電力供應的場景。接下去會發(fā)生什么？也沒什么：核反應堆會安靜地自行關閉。這段令人頗感安慰的視頻說：“它就在那兒，慢慢地冷卻，最后沒有任何工作的部分，也沒有任何液體，沒有任何指令、操作。那個時候，我們設計的核反應堆本質(zhì)上極為安全，能夠抵御任何意外事件?！?/p>

超安全核能公司總部位于美國西雅圖，和其他幾十家類似的公司一樣站在了全球核能復興的最前沿。目前，世界為了控制全球升溫幅度，正越發(fā)急切地擺脫化石燃料，降低溫室氣體排放。在這個背景下，政策制定者、私人公司和研究者反復考察核能作為一種綠色替代能源的前景。如果答案是肯定的，那核能顯然有助于補充風能、太陽能等可再生能源的發(fā)電產(chǎn)業(yè)。就當前的情況來說，核能產(chǎn)業(yè)正在走出停滯期，并有望在2050年將產(chǎn)能提高1倍至2倍。

支撐這場核能復興的是兩大炙手可熱的技術(shù)。像超安全核能公司這樣的企業(yè)正致力于打造小型模塊化核反應堆。這種核反應堆的大小只有傳統(tǒng)核反應堆的百分之幾，因而能有效降低建造成本以及可能發(fā)生的災難的烈度。另外，還有很多公司的目標是借助新技術(shù)杜絕核反應堆融毀事故并減少長周期核廢料的產(chǎn)生。

然而，投資者對核能產(chǎn)業(yè)大幅提升的興趣背后并非沒有爭議。與核能領域的所有事物一樣，人類社會是否真的需要核能來應對氣候變化，以及新核能系統(tǒng)是否像它看上去那樣光鮮亮麗，關于這兩個問題的爭論也異常激烈，而且支持方與反對方都掌握了相當合理的論據(jù)。有些人認為，新技術(shù)可以為我們目前的能源困境提供一個極好的解決方案。還有一些人則認為，核能在環(huán)境、社會、經(jīng)濟方面都存在諸多問題，我們最好放棄這個選項，轉(zhuǎn)而通過其他方式滿足全球能源需求。

接下來的幾年將決定核能在未來世界能源格局中的地位。哈佛大學肯尼迪學院核政策專家弗朗塞斯卡 · 喬瓦尼（Francesca Giovanni）說：“那是揭曉真相的時刻，在未來的幾十年中，核能不成功便成仁……成功與失敗的概率是50對50?！?/p>

核能發(fā)電量的起起落落

核電有一些顯而易見的風險——熔毀事故，核燃料被挪用于核武器項目，開采鈾礦帶來的環(huán)境問題，核廢料儲存問題等。在如此多擔憂的背景下，隨著能源生產(chǎn)經(jīng)濟的轉(zhuǎn)變，核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展在21世紀初趨于平緩，在2011年的福島核電站事故后甚至出現(xiàn)了短暫的倒退。有些國家——其中最值得一提的是德國——決定徹底關停本國核電項目。不過，目前，全球核電產(chǎn)量已經(jīng)開始再度攀升。

如今，核電廠大約提供了全球電力的10%，成為僅次于水力發(fā)電的全球第二大非化石燃料能源。目前，全世界約有440座投入運行的核電廠 ，另有大約60座正在建造，還有大約100座處于計劃階段。

在聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會將全球變暖控制在1.5℃以下的諸多設想中，大部分都提及要增加全球核電產(chǎn)量。在國際原子能機構(gòu)的凈零規(guī)劃中，到2050年，全球核電產(chǎn)量要在2022年的基礎上翻倍。核能受到如此重視的一個關鍵原因是，普遍認為核能是一種能穩(wěn)定提供基本電力的好方法，從而能填補風能、太陽能等其他可再生能源的空白。支持發(fā)展核能的一方認為，要是不借助核能，我們就要建造多得多的風電廠和太陽能發(fā)電廠以確保穩(wěn)定的全球電力供應，這么做的成本是部署核電廠網(wǎng)絡的2倍乃至3倍。

核能無疑有很多優(yōu)勢，比如：核電不產(chǎn)生任何碳排放（還有一個與公眾直覺相反的好處，核電廠往環(huán)境中排放的放射性鈾和其他元素，要少于燃燒煤炭）；核電廠占用的土地也比其他可再生能源少得多，這也是一個不可忽視的因素。加州大學伯克利分校核物理學家凱 · 維特爾（Kai Vetter）說：“如果我們的目標是在造成盡可能少的社會陣痛的前提下快速脫碳，那么核能就是必由之路。”

2023年12月，在阿聯(lián)酋迪拜舉辦的聯(lián)合國氣候大會上，20多個國家簽署了一項在2050年前讓核電產(chǎn)量提升到目前3倍的宣言。而且，現(xiàn)在這個方向也的確正在吸引大量資金。2020年，美國能源部特別撥款1.6億美元，用于建設兩座示范性核聚變工廠 ，并計劃在2027年投入運行。另外，2022年，歐盟宣布，部分核能項目可以貼上其他可再生能源那樣的“綠色”標簽，從而為核能的環(huán)境融資機制打開了大門。

然而，與所有同核能相關的議題一樣，批評核能的觀點也并不少見。例如，不列顛哥倫比亞大學公共政策專家拉瑪納（Ramana）就是諸多反對核能者之一。這個群體認為，高靈活度的多樣性靈活電網(wǎng)就足以通過在發(fā)電源和儲電設施之間分配電力來保證可靠的電力供應。

另外，隨著可再生能源生產(chǎn)成本的快速下降，現(xiàn)今針對能源相對成本的經(jīng)濟估算在未來可能沒有多少意義。

接著就是安全性的問題。雖然所有核能發(fā)電設施迄今導致的總死亡人數(shù)難以量化，但必然遠低于與化石燃料有關的空氣污染造成的死亡人數(shù)。美國宇航局科學家最近發(fā)表的一篇論文稱，在1971—2009年間，核能發(fā)電因為避免了空氣污染挽救了大約180萬人的性命。還有一些觀點認為，相比風電，核電的致死率也更低——海上風力發(fā)電廠導致了不少溺水事件以及直升機與渦輪機的碰撞事件。

然而，僅用事故致死率來衡量核電產(chǎn)業(yè)的影響，顯然不是一種直接有效的方法，因而爭議很大。畢竟，核電產(chǎn)業(yè)還有污染大片土地的事故風險，還有與開采鈾礦、存儲核廢料相關的諸多其他影響。拉瑪納認為，上述所有問題的負擔最后會不成比例地落在核電廠所在地居民和那些沒有享受到核電好處的社區(qū)身上，這與社會公平的大目標背道而馳。他寫道：“核能與任何負責任的清潔能源系統(tǒng)的理念都背道而馳?！?/p>

小且亮：新核能技術(shù)

如果我們把未來核能產(chǎn)業(yè)的目標定在國際原子能機構(gòu)要求的那種規(guī)模上，那無疑需要付出巨大的努力。按照國際原子能機構(gòu)規(guī)劃的路徑，在未來十年里，每年建造的大型核電站數(shù)量要從5座飆升至20座。而大型核電站的造價一般都在幾十億美元，同時還有巨大的財政風險。舉個例子，最近申請破產(chǎn)的西屋電氣公司就是因為在美國建造4座核電站期間面臨了高達數(shù)十億美元的成本超支。

要想規(guī)避這些龐大到令人望而卻步的建造成本，一種方案是轉(zhuǎn)而建設小型模塊化核反應堆，包括那種可以用卡車運輸、能產(chǎn)生幾百兆瓦能量的核反應堆，也包括那些大型柴油發(fā)電機大小、只能產(chǎn)生一兆瓦左右能量的微型核反應堆。這種模塊化核反應堆可以在工廠里預生產(chǎn)，然后再運往核電站選址組裝。所有這些都會讓投資這類核反應堆的成本變得對投資者來說不那么可怕。只不過，單位電力的最終生產(chǎn)價格可能會高于其他更大型的核電站。

俄羅斯、中國和印度已經(jīng)在著手建造一些小型模塊化核反應堆，還有幾十個處于規(guī)劃階段。加拿大也推出了一項國家級小型模塊化核反應堆，2021年時還有10個此類計劃在評估之中（其中有一個就來自超安全核能公司）。

然而，卡內(nèi)基梅隆大學氣候與能源決策中心物理學家兼聯(lián)合主任格蘭杰 · 摩根（Granger Morgan）說，到目前為止，小型模塊化核反應堆極為低廉的建造成本還只是空頭支票。摩根仔細研究了美國核電產(chǎn)業(yè)的相關數(shù)據(jù)，結(jié)果很令他失望。他表示：“我原本以為小型模塊化核反應堆能給我們帶來大得多的希望，但看著現(xiàn)在的這些數(shù)字，實在是憧憬不起來?！?/p>

摩根的這種感受得到了現(xiàn)實的充分印證。2023年11月，NuScale公司就因為不斷飆升的建造成本放棄了在艾奧瓦州建造地下小型模塊化核反應堆的計劃。摩根說：“掌握核能是不是很棒？沒錯，絕對是的。但代價是我們能承受的嗎？我們離這個問題的答案還差得很遠?！?/p>

其他觀點則認為，小并不總是意味著美。雖然小型核電站資金風險更小、潛在的事故風險也更小，但這種核能發(fā)展事業(yè)也意味著總體上更多的核電站，以及更多用來防備盜竊和恐怖主義的相關設施。喬瓦尼說：“小型模塊化核反應堆意味著我們要分散更多可以裂變的物質(zhì)，這就是說，我們必須擁有更多用于安全保障的基礎設施。我覺得，這會讓本就不怎么好的情況變得更加糟糕?！?/p>

下一代核能

有些人把重點放在了讓核電站變得更小上，與此同時，還有一些人則努力讓核電站變得更安全、更高效。下一代核反應堆設計方案——用業(yè)內(nèi)的話說，這是第四代——包括6個主反應堆系列，每個系統(tǒng)都與現(xiàn)在的標準大不相同，而且都有更多有待試驗的變體處于開發(fā)之中。在這6個系列中，有3個吸引了更多關注（尤其是在美國），它們是：高溫氣冷方案、熔鹽方案以及鈉冷卻方案。

這些技術(shù)背后的理念，甚至某些已經(jīng)進入早期建設階段的核電站，早在幾十年前就已經(jīng)出現(xiàn)。不過，這些舊想法在結(jié)合了新的燃料和設計方案后，有望變得更安全、更高效、更環(huán)保。摩根說：“他們正在做各種高精尖、高科技含量的工作。我絲毫不懷疑，新的核反應堆會比以前的更加安全?！?/p>

目前，大部分核反應堆使用的都是水冷鈾系統(tǒng)，而這種系統(tǒng)能成為主流，很大程度上也是因為科技史上的一個怪癖。和其他所有類型的核反應堆一樣，水冷鈾系統(tǒng)也有自己的優(yōu)點和缺點。首先，這個系統(tǒng)一般在300℃左右的環(huán)境中工作，所以必須使用很高的壓力以保證水不會沸騰。另外，按照設計，這種系統(tǒng)要處理的是運動相對緩慢的中子（慢中子）——這種亞原子粒子與核燃料碰撞后會啟動核裂變過程。慢中子更有可能與核燃料發(fā)生相互作用，但使用慢中子的系統(tǒng)在能夠使用的燃料類型上會受到限制。如果核裂變反應失控，或者核反應堆過熱導致堆芯“熔化”——就像在三里島、切爾諾貝利和福島發(fā)生的那樣——那么災難就會降臨，向環(huán)境釋放大量輻射。

為了能讓反應系統(tǒng)自動阻止核事故的發(fā)生，水冷核反應堆的最新模型（有時稱作“第三代加”，囊括了許多小型模塊化反應堆） 運用了一些新的設計技巧，從而減少了那些需要人為干預的安全系統(tǒng)的數(shù)量。不過，第四代核反應堆使用的是完全不同的冷卻材料，通常設計在更高、 更有效的溫度下工作，而且使用運動得更快的中子，這類中子可以把最為常見的鈾的天然同位素轉(zhuǎn)化為可供使用的燃料，甚至能以核廢料為原料。

舉例來說，高溫氣冷堆的運行溫度高達950℃，這使得它們在熱效率上比水冷堆高出20%～33%。因為這類反應堆使用的堆芯材料通常在高達1600℃的溫度（這個溫度已經(jīng)超過了熔巖）下也仍然是穩(wěn)定的，所以有很大的安全裕度。超安全核能公司動畫中的核反應堆就是這個類型的小型模塊化反應堆，它的小體型也有助于被動冷卻。超安全核能公司還在自行生產(chǎn)燃料顆粒。他們把顆粒包裹在一種定制材料中——按他們的說法，這種材料在極端環(huán)境條件下也能保存放射性物質(zhì)。目前，超安全核能公司期望在加拿大建造他們的第一座商業(yè)微反應堆。

在熔鹽反應堆中，燃料和冷卻劑都已經(jīng)是液態(tài)的了。因此，傳統(tǒng)意義上的熔融壓根就不可能發(fā)生。另外，液態(tài)鈉冷卻的反應堆還有一種自帶的安全特性：受到加熱時，液態(tài)鈉會膨脹，讓更多中子從原子之間的空隙中逸出，于是，核裂變反應（由中子驅(qū)動）自然就會減弱。美國能源部已經(jīng)為美國泰拉能源公司（比爾 · 蓋茨是這家公司的一個主要投資人）提供了資金支持，資助后者在2030年前于懷俄明州建造一座由鈉冷卻反應堆提供能源的試驗性核電站。

核能不浪費，不索取

喬瓦尼說，核反應堆的新設計方案確實顯著改善了的領域就是核廢料。她說：“到目前為止，還是沒有任何反應堆能完全解決核廢料的問題，但它們確實對削減核廢料的數(shù)量提供了一些意義重大的解決方案?！庇捎诜磻^程中會產(chǎn)生一些壽命頗長的放射性副產(chǎn)物，傳統(tǒng)水冷反應堆產(chǎn)生的核廢料需要埋在特殊的儲藏庫中數(shù)十萬年才能確保安全。另一方面，部分第五代反應堆可以把核廢料轉(zhuǎn)變?yōu)楦琢炎兊耐凰兀糜谶M一步的核裂變反應。這不但能提升效率，而且產(chǎn)生的廢料只需儲存數(shù)百年即可。

不過，并不是所有人都認為所有這些系統(tǒng)都像看起來那樣光鮮。2021年，憂思科學家聯(lián)盟發(fā)表了一篇題為“先進并不總是更好”的報告，強調(diào)了安全、可持續(xù)性以及核擴散方面的問題。他們的結(jié)論是：幾乎所有第五代反應堆都“未能展現(xiàn)相對輕水反應堆的顯著性能提升，未能有力證明它們值得我們冒巨大的風險”。

喬瓦尼說，有些人批評這份報告，認為這份報告在意識形態(tài)上就是反核能的。不過，她也表示，指出新技術(shù)帶來的新困擾，“很公平、很公正”。這份報告指出，液態(tài)鹽具有腐蝕性，液態(tài)鈉與空氣或水接觸可能會爆炸。這份報告最后的結(jié)論是，高溫氣冷反應堆雖然能承受高溫，但“遠非某些人宣稱的那樣能夠防止熔毀”。

灼熱的思想

第五代系統(tǒng)中有許多都提供了另一項關鍵優(yōu)勢：它們更高的反應溫度不僅能提供電力，還能提供有用的熱能。這些熱能可以用于生產(chǎn)多種工業(yè)制品，比如：鋼鐵、水泥、化肥，就目前的情況來說，上述工業(yè)制品在生產(chǎn)過程中都需要使用大量化石燃料。

維特爾說：“這種熱能幾乎完全是免費的?！彼l(fā)現(xiàn)，核反應產(chǎn)生的熱能在海水淡化過程中擁有特殊作用，可以從鹽水中獲取清潔的飲用水，就像位于美國加利福尼亞的迪亞波羅峽谷核電站做的那樣。實際上，由美國能源部資助的目前處于行業(yè)領先地位的美國第四代核能公司X能量已經(jīng)與陶氏化學公司合作，計劃于2030年前在陶氏化學公司的生產(chǎn)基地建造第一座高溫氣冷反應堆。不過，摩根認為，大部分公司仍會在龐大的建設成本面前退縮。

然而，即便后續(xù)證明第四代反應堆在技術(shù)上是優(yōu)越的，我們也仍舊需要數(shù)十年時間做徹底驗證、通過監(jiān)管機構(gòu)的審核，并達到商業(yè)化規(guī)模。加拿大里賈納大學現(xiàn)已退休的核工程師埃薩姆 · 侯賽因（Esam Hussein）表示，我們已經(jīng)沒有多少時間同氣候變化做斗爭了，在這樣的背景下，最好還是繼續(xù)使用已經(jīng)得到證實的舊反應堆設計。他說：“對于已有的那些核反應堆，我們有充足的運營經(jīng)驗，成熟的監(jiān)管框架。既然我們的目標是對抗氣候變化，為什么不選擇這個已經(jīng)知根知底的魔鬼呢？”

那么，我們?yōu)槭裁匆欢ㄒc魔鬼合作？在這個問題上，很多人會立刻指出，所有能源解決方案都有問題，可再生能源也是如此。喬瓦尼說，她認同對核能產(chǎn)業(yè)的一種批評意見，也即我們正“以一種非常缺少批判性的方式一頭扎入可再生能源”。風力發(fā)電和太陽能發(fā)電需要電子設備和電池組儲存能量，這些東西反過來也需要鋰和鈷等元素，而鋰礦和鈷礦的開采可能會帶來比較嚴重的環(huán)境問題和社會公平問題。對此，維特爾表示：“沒有什么是百分之一百安全的?！?/p>

考慮到核能的發(fā)展歷史與牽涉的巨額資金，許多人很難接受與核能相關的數(shù)據(jù)、說明以及統(tǒng)計數(shù)字。近年來，喬瓦尼一直在批評核能產(chǎn)業(yè)回應公眾關切的方式。她說：“我認為，核能產(chǎn)業(yè)大部分時候都只是在向公眾展示一些毫無作用的廢話?！辈贿^，她個人對這個領域最大的擔憂是“進展太慢”。以喬瓦尼為代表的這一方認為，如果像超安全核能公司、X能源、泰拉能源這樣的公司希望借助第四代反應堆技術(shù)和小型反應堆幫助人類解決氣候變化問題，那他們必須加快步伐了。

資料來源 Knowable Magazine

本文作者尼古拉 · 瓊斯（Nicola Jones）是一位自由撰稿人，主要報道科技、環(huán)境、能源領域的熱點新聞