21世纪核能面临的未来挑战

发布: | 发布时间:2021-03-12,星期五 | 阅读:14

克里斯·巴拉努克 (Chris Baraniuk)

(图片来源: Alamy)

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


来源:BBC英伦网



 

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