出于对矿物燃料引发全球气候变化的担忧, 加之改进后的核能技术其安全性逐渐被认可, 人们对发展核能的态度正在发生着变化——

在今后数10年中, 全球的电能消耗可望倍增; 而西方国家在20世纪60~70年代建造的许多发电厂已接近其设计寿命, 加之对进口石油和天然气依赖性增加的担忧和其排放物引发的全球变暖, 在许多政府看来, 要想解决这一难题, 发展核能是唯一的出路。

目前, 全世界有31 座核反应堆正在建造中, 特别在发展中国家, 许多雄心勃勃的核能发展计划正在酝酿之中——在今后的15 年内, 意在提高核能发电能力的中国和印度, 计划建造多座核反应堆, 土耳其和越南也正在考虑启动他们的核能发电计划; 包括阿根廷和南非在内的其他一些国家, 则计划扩大现有的核发电能力。

在西方发达国家, 目前正在重新考虑其核能发展政策。预计在未来数月中, 在美国建造新的核反应堆的申请将会大大增加;英国首相戈登·布朗则表明了对新一代核电站的支持态度; 法国正在建造一座新的核电站, 其他一些欧洲国家也在重新考虑曾冻结或决定废弃的核发展计划。

目前, 分布在全世界31 个国家的439 个核反应堆提供了全球所需的15%的电能。国际原子能机构( IEA) 首席经济师法思·拜罗( Fatih Birol) 说, 即使不考虑对碳排放征税的问题, 全球核电站的发电能力也会由目前370千兆瓦增加到2030 年的520 千兆瓦。如果对碳排放征税, 核能发电的发展速度还会有更快地提高。

但是, 核电站的建设与管理成本十分昂贵: 建造一座核电站的成本高达数10 亿美元。更糟糕的是, 过去出现过的构思不慎密的设计和管理上的滞后, 使建造成本超出了原本就很庞大的预算。对此, AREVA、通用电气、日立和威斯汀豪斯等公司认为,现在这些情况已发生了变化。最新的设计摈弃了上述弊端, 新建的核电站更加安全, 而且更易于操作。它们相信, 新设计的易于管理的核反应堆具有更长的使用寿命和更低的维修费用, 核电产业的效益问题最终会得到改善。

现行的核反应堆技术是建立在20 世纪30 年代发现的核裂变基础上的。当重原子受到中子撞击时会吸收这些中子, 其时变得不稳定并发生分裂, 结果便产生2 个较轻的原子, 其过程有2 个或3 个中子被逐出。同时这一过程会释放出大量的能量, 其中,大部分能量以快速运动的裂变产物的动能形式出现。当裂变产物的运动速度减慢时, 这些动能便转化成热能。

如果被逐出的中子继续撞击其附近的不稳定的原子, 这些原子也会发生裂变, 在一种所谓的链式反应中释放出更多的中子。当有足够量的中子产生进一步的裂变——而不是逸出、跳动或被未分裂的原子所吸收——时, 这一过程便会继续下去; 而大量可裂变物质中发生一种不受控制的链式反应时, 会导致一种爆炸性的能量释放, 就像在核武器中所发生的情况那样。但是, 在可裂变材料装载量少得多的核反应堆中, 这种链式反应和能量释放是受到严格控制的。

战争与和平

1942 年, 恩里科, 费米( Enrico Fermi) 等人建造了作为“ 曼哈顿计划” 一部分的世界上首座核反应堆, 为美国制造第一颗原子弹奠定了基础。虽然这种核反应堆的设计很简单, 但它却包含了作为目前几乎所有核电站构成部分的特征。反应堆堆芯被置于由石墨制成的堆块中( 石墨反应堆) , 起到一种减缓中子运动速度的作用, 以使裂变能力最大化( 如今大多数反应堆都采用轻水作减速剖) , 包括用可吸收中子的“ 控制棒” 嵌进堆芯中,在需要时, 可以用来减缓或终止链式反应。

虽然当初的这一切是为了制造一种威力巨大的武器, 但参与此事的科学家都明白, 核技术同时也具有和平利用的广阔前景。1953 年, 美国总统德怀特·艾森豪威尔在联合国大国会上的“ 和平利用原子能” 的著名演说中,首次提出了在民用意义上有控制地利用原子能技术的号召。继后不久, 世界上首批民用核电站出现在美国、英国和前苏联。

美国首座民用核电站属于压水式反应堆( 轻水反应堆的一种) , 是由威斯汀豪斯公司设计的, 由应用在潜艇上的反应堆改建而成。这种压水式反应堆具有两种功能: 在一个闭合的“ 一次” 环路中, 水作为冷却剂可起到冷却反应堆堆芯的作用; 同时作为一种减速剖, 可以使核裂变产生的快中子减速。由于一次环路中的水是循环使用的, 在循环过程中它会产生热能; 继而, 把这种热能传送到“ 二次” 环路中,以产生蒸汽用来驱动涡轮机发电。

核能的黄金时代

从总体上看, 20 世纪50年代对核能的追求被认为是一种有益的努力。1954 年, 美国原子能委员会主席刘易斯·斯特劳斯( Lewis Strauss) 在一次演讲中说:总有一天, 核电的电价会便宜得令人难以想象。60 年代中期, 美国两家核反应堆制造商——通用电气和威斯汀豪斯公司进行了一场激烈的竞争。通用电气公司许诺, 将为公用事业公司提供一种“交钥匙”合同, 即以一种固定的报价提交一座完整的核电站。为此, 威斯汀豪斯公司也如法炮制。然而, 这样的销售策略最终以这两家公司的亏本而告终。

与此同时, 随着电能需求趋向稳定和银行利率的提高, 建造核反应堆的申请便开始减少, 至少在美国是这样。1979 年3 月28 日, 在宾夕法尼亚海力斯堡附近的三里岛的核电站发生了一次严重事故: 机械故障和操作失误, 引起了反应堆堆芯的局部熔化。虽然这次事故没有造成人身伤害, 但却差一点毁了美国的核电产业, 加剧了人们对核能的恐惧心理。

然而过了几年后, 一场真正的灾难终于发生了。1986 年的4月26 日, 前苏联切尔诺贝利的一座核反应堆突然发生爆炸, 摧毁了安全防护罩, 致使大量的放射性物质外泄, 周围环境受到严重污染。短时间内30 名工人遭受核辐射而丧命, 数以千计的人出现了严重的健康问题( 其中一些人事后因核辐射致病死亡) 。尽管事后查明, 这起实难性的事故是人为的操作失误和设计上存在缺陷造成的, 但即便如此, 这次事故进一步削弱了人们对核能发电的信心。

虽然发生了两起重大核事故, 致使核电产业面临下滑或停滞不前的困境, 然而在法国却得到了复兴。自1973 年发生石油危机后, 法国便决定走不依赖矿物燃料发电之路。对于缺乏能源的国家来说, 寻求核能发电似乎是一种最佳选择。目前在法国运行的所有商用核电站, 都是以威斯汀豪斯公司的技术为基础建造的。该公司在上世纪60 年代把压水式反应堆技术出售给了法国。如今, 全法国共拥有59 座核反应堆, 为国家提供了78%的电能。

核能发电在法国进展顺利,主要原因是能被政治家和公众所接受, 受到抗议和规划问题的拖累较少。而在其他国家, 这些因素不仅拖延了基建时间, 因此还大大提高了建造成本。核电站一旦建成投产, 与燃煤或天然气发电厂相比具有明显的优势, 其发电所需的燃料相当少。虽然铀的价格已从今年1 月的每磅70 美元上涨到了7 月中旬的130 美元, 但核电站的经营成本却变化甚微。况且, 铀价上涨会促进探矿热潮, 最终将导致更多铀矿的发现和供应的增加。

人们不再可能把这里修建得和以前一样

新型反应堆精华

由20 世纪70~80 年代演化而成的最新一代核反应堆, 对以前的设计作了重大的政进。例如, 威斯汀豪斯的新型AP1000带有“ 被动安全” 系统, 在出现紧急情况时, 可在无人状况下自行关闭反应堆。再如, 如果反应堆压力下降, 高压容嚣也可以把水传送到堆芯中。而新型反应堆的简化设计也意味着只需少量的马达、泵和管道, 不仅可以减少出现故障的可能, 而且还可以降低维护、检查和修理成本。最近, 威斯汀豪斯已计划向中国提供4 套新的核电站设备。

法国AREVA 公司设计的一种功率空前强大的核电站——改进型核反应堆( EPR) , 其设计功率达1600 兆瓦, 并计划在欧洲建造两座EPR 核电站: 一座建在芬兰, 预计在2011 年发电; 两年后另一座核电站将在法国建成。EPR 和AP1000 型核反应堆连同通用电气公司的最新设计,目前已被纳入美国公用事业公司正在考虑的核电站发展计划的关注范围。

另一座全新的示范性核电站——源自德国技术的“ 球床”反应堆, 计划于2009 年在南非建造。在设计上它有几个方面是独特的: 规模小( 165 兆瓦) , 建造时间短, 成本也较低; 几台机组可以共享一个控制室, 铀燃料被封装在一个网球大小的“ 球”中, 在冷却的环境中而不会破碎, 提高了反应堆的安全性。“ 球床” 反应堆的设计者、麻省理工学院教授安德鲁·卡达克( Andrew Kadak) 相信: “ 在设计寿命中, 这样的反应堆是不可能被熔毁的。”

虽然新型核电站可能会更安全一些, 但仍然会产生一些有害的废料。在经过大约3 年的使用之后, 燃料中大部分可裂变的铀已耗尽, 残留下一些放射性材料。传统上, 这样的核废料在运送到永久存放点之前, 都是存放在核电站附近。

目前没有一个国家可以提供专于存放高放射性核废料的永存点。如美国的丝兰山存放处, 目前还不能揩望它已做好了使用许多年( 如果不是永久) 的准备。但在其他一些国家, 已俱备了核废料后处理的技术, 即把钚从核燃料残渣中分离出来, 然后再将其加工成新的燃料。当然, 钚也可以用来制造核武器。由于对核扩散的担心, 美国自1997 年以来, 还从未开展过对钚进行民用的后处理工作。

威斯汀豪斯公司中标中国4座核电站的建设项目

作为“ 全球核能合作” 的多国倡议的一部分, 美国能源部支持对核废料进行处理的工作。与传统的后处理相比较, 这项工作不仅可以避免核扩散, 还可以将钚和其他放射性元素的混合物转化成适合在“ 快速” 反应堆中使用的燃料。

大部分目前正在运行的核反应堆是“ 热” 反应堆, 采用了一种使中子减速以促成核裂变的技术。相反, 快速反应堆不使用减速剂, 而是利用速度更快的中子以产生核裂变。因此, 它们能够消耗很多长寿命的放射性材料,而热核反应堆则不能。

这种方法可以从某一给定的核燃料中获得更多的能量, 因而可以减少燃料用量和降低核废料的危害性。快速反应堆的支持者们断言, 一旦放射性最强的元素被分离出来后, 剩余的核废料只需存放几百年, 而不是几十万年。据华盛顿的一个院外活动集团——核能协会称, 这可能意味着全美国只需要一个核废料存放处就足够了。从长远看, 快速反应堆利用核燃料的效率是如此之高, 以致“ 对所有实用的目的而言, 铀是用不完的”, 一位曾在美国阿贡国家实验工作过的核物理学家威廉·汉纳姆( Wiliam Hannum) 如是说。

然而, 这一战略的支持者们把快速反应堆技术称作一件使人分心的事: 一方面, 还得建造许多新的快速反应堆和后处理设备, 使在建的核电站还需增加数以10 亿美元计的额外资金。此外, 一些技术尚未在商业应用上得到验证。

最后, 新的核反应堆技术的应用取决于多种因素, 包括对核废料和核扩散的有效管制, 而效益上的改善也许是最为重要的一点。不可否认的是, 人们对核电产业还是抱有一种乐观的看法。麻省理工学院核科学与工程教授理查德·莱斯特( Richard Lester)提醒说: “ 这样做是否足以激励人们心安理得地去发展反应堆技术, 以减缓全球变暖产生的不利影响? 关于这一点还需要拭目以待。”

今后是否还会发生一场像切尔诺贝利事故那样的灾难, 或者说是否会有人对核电站进行恐怖攻击, 这些都很难说。但是, 现在大多数业内人士都认为, 核电产业的前景看来要比它过去的状况更光明。