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纠结的核电站


日本是个资源匮乏的国家,上世纪70年代之前,其能源主要依靠进口。60年代末期,日本找到了一种廉价的、可以提供大量能源的方法——核电。1973年开始,发展核能成为了日本的国策。今天,日本成了世界第三大核能大国,它拥有53个核反应堆,核电供应了日本34.5%的电量需求。

距离东京220公里的福岛的核电站隶属东京电力公司,到2011年,这里的1号堆就能圆满达到40年的设计使用寿命。按照计划,这台虽然垂老却仍状态良好的机器将延寿20年,到2031年退役。

3月11日9.0级大地震发生时,福岛电站的1-3号堆正在工作,4-6号堆则因例行检修恰好停机了。根据设计,地震一发生,震源周边核电站的11台核反应堆马上自动停机了,福岛第一核电厂正在工作的1、2、3号反应堆也停机了。

然而,停机后的核电站堆芯仍有大约3%左右的蓄积热量不能发散掉,需要持续冷却数天。最初,备用的柴油发电机被用来给1号堆的冷却系统供电,1小时后的海啸摧毁了所有的柴油发电机;工人们又抱来了备用电池,它们可以提供8小时左右的电源,另外一些工人则从外面拉来了新的柴油发电机。根据MIT的一位科学家Oehmen Josef提到过的信息:“因为接口不匹配,这些发动机无法接到电站。”很快,冷却系统几乎停止运行,压力容器中的水大部分变成了蒸汽,这导致压力容器的压强越来越大,几乎达到了正常值的两倍。

为了给最核心的压力容器减压,工作人员打开阀门,放出了这些直接与燃料棒接触而可能携带辐射物质的蒸汽。

核电厂附近的辐射水平升高,但被认为只会对人体造成“极其细微的伤害”。3月12日下午,1号堆外墙发生了爆炸,但随后,有官方机构解释,盛放核燃料的压力容器并未受损,随后,2、3号堆也都发生了爆炸。之后,东京电力决定向反应堆中泵入海水用来冷却燃料棒。

因一位工作人员的失误,为反应堆提供冷却水的柴油机停止工作,导致2号堆空烧,燃料露出水面。3月15日,日本当局已证实2号反应堆“可能发生了压力容器底部受损”;核电站附近辐射水平很快升到了“足以危害人体健康”的程度。截止发稿前,日本首相菅直人发表告国民书,称核泄漏趋向严重,要求20公里内居民迅速撤离,20-30公里周围的居民也做好撤离、疏散的准备,目前不要离开建筑物。

4天之内,因为一座核电厂的事故,方圆900公里几乎空了。

核能曾被认为是安全和最清洁的能源,现在,日本的事故引发了世界范围内的忧虑,但在众说纷纭中,相当部分人坚持核能仍是人类应该坚守并鼓励的能源渠道。

从死神开始

“生不逢时”,这4个字是对核能及核科学诞生的最好描述。在量子力学的推动下,原子核理论在1920-1930年代突飞猛进,此时正值欧洲两次大战的夹缝中。1938年德国物理学家哈恩发现原子裂变现象的时候,欧洲已是战云密布,第二年即爆发了第二次世界大战。

此后发生的事情已经成为具有传奇色彩的历史和科学故事,爱因斯坦、玻尔、海森堡、奥本海默等世界第一流的科学家都侧身其中。在最后一片“自由乐土”,美国集中了1500多名科学家和工程师,花费20亿美元,生产出了3枚原子弹,其中一枚试爆,两枚投到了日本,结束了战争。人类历史上,水力、煤炭、石油、天然气的发现或使用都伴随着工业进步的欢乐颂,唯有原子能这种威力最大的能量却以对城市与人口进行毁灭性打击的形象来到人间,“核能”这个词从一开始就在人们心头蒙上一层阴霾。

然而与传统能源相比,核能(核电)又有其得天独厚的优势,1公斤铀-235裂变放出的能量相当于2700吨标准煤燃烧放出的能量,一个100万千瓦的燃煤发电厂每年需要300万吨燃料,而核电站只要30吨就够了。煤炭燃烧会放出数量庞大的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物和烟灰,煤炭的开采、运输、放置以及燃烧后产生的废物处理,都会对环境造成巨大的破坏。而核燃料裂变完成后,虽然还带有一定的放射性,但只要在合适的地方掩埋就基本是安全的。正因为如此,国际社会发展核电的呼声和行动一直没有停止。

第一个原子反应堆在科学家费米和西拉德指导下于1942年12月2日达到临界状态,即能够输出能量。不过这个反应堆是曼哈顿计划的预研究,后来建成的反应堆也是为了富集钋元素用于制造原子弹而不是主要用于发电。

二战后核能才开始应用于民用发电,自1951年12月美国实验增殖堆1号(EBR-1)首次利用核能发电、1954年6月苏联第一座核电厂首次向电网送电,到现在已有近50年的历史,这50年间,它们经历了验证示范、高速发展和滞缓发展。现在,正处于复苏之前的过渡阶段。

核能变得不便宜

二战后原本拥护美国制造和使用原子弹的科学家群体开始分化,很多科学家希望核能研究不要完全掌握在军方手中,从而拥护和平利用原子能,但是由于核反应堆也会产生可用于核武器的钋元素,大多数国家如美国、英国、加拿大和苏联都试图将核反应堆的研究置于严格的政府控制和保密范围内。直到1953年,美国总统艾森豪威尔才在联合国发表了“和平利用原子能”的演讲,强调要尽快发展核能的和平利用。美国稍后通过了“1954年原子能修正案”,对核反应堆技术进行解密并鼓励民间核反应堆的发展,允许私营企业取得反应堆所有权,但核燃料仍归政府掌握,允许私人使用。

1954年6月,苏联的奥勃宁斯克核电站成功并入电网,可以提供500万瓦的电力。时任美国原子能委员会主席列维斯•施特劳斯曾声称将来电力会“廉价到不用花钱”,当然他指的是当时正在秘密研究的氢核聚变。但原子能委员会此时资助的几个研究项目表明,核电并不廉价,“其价格将会跟传统能源差不多”,核电发展第一次让人们失望。这时的核反应堆研究在美国主要由美国海军推动,海军的目的是要利用核能推动潜艇和航空母舰。

1956年,英国建成了世界第一个商用核电站,发电功率达到50兆瓦(后来提升到200兆瓦)。美国的第一个商用站在第二年建成并投入使用。

世界各国一开始对核电站抱有极大的热情,尤其是1960年代末1970年代初各发达国家工业能力上升,电力需求十年翻一番,美苏英法等国都制定了庞大的核电发展计划,在短短十余年的时间里,美国核电机组就迅速达到上百台。联邦德国、日本以及印度、巴西等国家也成套地购买设备开始建设核电站。尤其是在1973年第一次石油危机之后,为了摆脱对中东石油的依赖,形成了核电厂建设的一个高潮。这个时期发电量提高得非常快,1960年全世界还不到10亿瓦,1970增长到1000亿瓦,1980年代更是增长到3000亿瓦。

一般把1950年代美、苏建成的实验性核电站(为了证明核能发电的技术可行性)称为第一代核电机组。1960年代后期,一批人在第一代机组基础改进上,进一步证明核能发电技术可行性的同时,也证明了核电可与水电、火电相竞争的经济性。1970年代,因石油涨价引发的能源危机促进了核电的发展,目前世界上商业运行的四百多座核电机组绝大部分是在这段时期建成的,称为第二代核电机组。本次发生故障的日本福岛核电站,即属第二代核电机组。

核电的黄金年代持续了10年,从1970年代末期开始,世界范围内核电装机能力增长变得越来越慢。装机计划不断被取消,自1970年1月后的所有计划中,超过2/3最终被取消,光在美国,1975-1980年就取消了63个核能机组。

究其原因,那20年间快速增长的核电经济成本(由于主管部门犹豫不决和反对集团挑起的诉讼而导致建设时间过长)以及石油天然气这类化石燃料价格不断下跌,使核电厂失去了吸引力。尤其是1979年第二次石油危机之后,各国经济发展速度减缓,再加上大规模的节能措施和产业架构调整,许多新的核电站建设项目被停止或推迟。

事故

1979年3月发生在美国三哩岛核电厂的燃料泄漏事故和1986年4月苏联发生的切尔诺贝利核电厂爆炸事故,也对世界核电发展产生了重大影响。

最初,核工业的建设者对于核电站的安全持盲目乐观态度。核工业调整委员会的委员马库斯•罗登曾报告说,“发生核事故的风险和被陨石砸到的几率差不多。” 1979年3月28日凌晨4时,美国宾州的三哩岛核电站的警报突然拉响,涡轮机停转,堆芯压力和温度骤然升高,大量放射性物质溢出。直到6天之后堆芯温度才下降,避免了氢爆炸,但反应堆已经瘫痪。事发之后全美震惊,约有20万人撤离这一地区。更令公众不满的是,调查委员会竟然无法拿出一份清楚的报告,由于监测设备损坏和缺失,连核科学家都不知道核反应堆里面到底发生了什么。《纽约评论报》指出,“这起事故或许并不是十分严重,但当安全性被过度推销,即使是最小的事故也能导致对工业安全性信任的极大丧失。结果是,一直被灌输核能源利用毫无风险思想的民众在事故发生时更难保持理性。”全美各地纷纷举行集会示威,还成立许多民间反核组织,要求停建或关闭核电站。美国和西欧一些国家政府不得不重新检查发展核动力计划。

1986年4月26日凌晨,位于苏联乌克兰首府基辅以北130公里处的切尔诺贝利核电站发生猛烈爆炸,反应堆机房的建筑遭到毁坏,同时发生了火灾,反应堆内的放射物质大量外泄,周围环境受到严重污染,造成了核电历史上迄今为止最严重的事故。

切尔诺贝利核电站共有4个功率均为100万千瓦的核反应堆,其发电量占乌克兰总发电量的50%,并向大多数东欧国家提供重要电力。但该核电站的反应堆是20世纪70年代引进的水冷式石墨慢化反应堆。由于石墨反应堆不够安全,冷却系统一旦发生故障,堆芯石墨棒的温度就会猛增,直至超过熔点而导致熔毁事故。

1986年4月25日,切尔诺贝利核电站第4号反应堆的工作人员违反操作规程连续切断反应堆的电源,使主要冷却系统停止工作,以致26日凌晨发生猛烈爆炸,爆炸引起机房起火,浓烟使人呼吸困难,放射性物质不断外溢,大量放射尘埃污染到北欧、东西欧部分国家。

这两起事故严重打击了公众对于核电的信心,公众的接受程度成为核电发展的障碍之一,有一些国家如瑞士、意大利、奥地利等已暂时停止发展核电。为保证核电的安全性,美国在三哩岛事故后所采取的提高安全性的措施,使核电厂建设工期拖长、投资增加、经济竞争力下降,特别是投资风险的不确定性阻滞了核电的继续发展。

核春天或核冬天

清华大学核能与新能源技术研究院研究员张作义指出,国际有关分析认为,公众反对是核电由盛转衰最重要的原因之一。在决定停止发展核能的国家中,有些是直接由公众投票淘汰核能的,如瑞典、瑞士、奥地利和意大利等国家;有些是反核政党得到公众支持上台后,由政府作出决定淘汰核能的,如德国、比利时、西班牙、荷兰等国家。美国麻省理工学院和哈佛大学将公众态度与核安全、经济性、燃料循环与核扩散等并列为影响核电未来的主要因素之一。

民众对核能的反对其实也不是没有道理的。目前正在运行的核电站大部分还是第二代,安全层级还比较低;另外,大量核电站也给国际恐怖分子窃取核燃料作为脏弹,甚至窃取钋元素研制原子弹带来机会,“核扩散”会给世界带来更多的不安定因素。另一个新出现的原因是核废料的处理问题。随着核能日益广泛的使用,放射性固体废弃物的数量也在与日俱增。核废料的处理大都采用就地贮存在的方式,但由于这种物质的半衰期长达几千年乃至上万年,对人类是一种巨大的潜在威胁。

然而,尽管如此,进入21世纪,随着能源供应趋紧和对清洁能源的需求,以及现有核电机组保持的相当长时间的良好的运行纪录,东亚国家和美国、欧洲等正在计划建设新的核电机组。

2007年,国际能源机构发表《2006年世界能源展望》报告,呼吁世界各国改变现行的能源政策,提高能源利用效率。这是该组织首次支持推广核能的使用,总干事克劳德•曼迪尔在伦敦举行的新闻发布会上表示:“关键在于立刻采取行动,各国应该尽快调整政策、采取措施提高能源利用效率和促进能源技术的发展。”“同时,各国应着力发展能源技术和推广核能应用,否则在不久的将来,人类将不得不面临能源价格飞涨,而且经常停电(能源供应不稳定)的危机。”

然而,本次福岛核电站的事故,几乎标志着“核能的春天还没来临,冬天就到了”。福岛核电站事故发生后,3月13日,在德国南部的城市斯图加特,6万名示威者组成了长达45公里的人链,他们的要求是立即关闭德国所有核电厂。目前,德国总理默克尔已宣布德国将全面检查核电站安全标准。同日,发展核能的坚定支持者,美国参议员利伯曼(Joseph Lieberman)呼吁:美国应暂时放慢核电发展步伐,以保证能够安全利用核能,他说:“我不认为美国应该停止修建核电站,但现在有必要踩下刹车,直到我们完全搞清楚日本目前所面临的危险。

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