文·李穎娟

 

　　1951年12月20日，美國愛達荷州Arco小鎮外，當串在一起的四盞100瓦燈泡，閃爍出越來越耀眼的光芒時，人類首次成功地用上了核能。

 

　　與煤炭和石油化工燃料不同，核裂變是核能爆發的關鍵，它放射出的物質沒有二氧化碳。一個核反應堆產生的能量來自其內部的能源棒，而每一個能源棒都充滿了鈾氧化物。每當內部的中子撞擊鈾原子的時候，原子就一分為二，同時散發出能量，并釋放更多的鈾原子，新產生的鈾原子又與其他的原子互相碰撞，從而形成了一個反應鏈。這個過程中積累的熱量能使水變為蒸汽，進而推動發電機旋轉產生電能。

 

　　由于鈾原子裂變所產生的能量是燃燒煤炭所產生能量的一千萬倍，因此理論上，核能是最具效率和經濟價值的能源。

 

　　具體來說，一座百萬千瓦的火電站需要260萬噸煤，而核電站只需要30噸的鈾原料就可以。核電站一年產生的二氧化碳僅是同等規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，核電成本優勢突出。目前國際上成熟的核電成本普遍低于煤電成本，法國核電成本是煤電成本的0.57倍，日本是0.66倍，美國在1962年就已經低于煤電成本。

 

　　核能到底有多危險

 

　　但是，在近60年中，對于核能，公眾更關心的是，核能可能帶來的危害事件和能源廢料。科學家還需要找到一個可行的、安全的、合乎法律的廢料處理方式。“無論你支持還是反對，我們都已經在燃燒能源了，” 1976年諾貝爾物理獎得主Burton Richter說，“現在，6萬噸燃料正在反應堆里燃燒著”。

 

　　其實，內部人員比很多人更了解核設施的安全性。在美國的土地上，還沒有一個人死于核事件；相反的是，從“大氣凈化力量”環保組織2004年的報告中顯示，美國每年有兩萬四千人死于化工燃料產生的氣體。正如綠色心靈組織的環保人士Moore所說：“在減少化工燃料的使用上，沒有任何技術能比核能做得更多。”

 

　　目前，在第二代核反應堆技術中，其安全系數已經能夠達到一萬個堆平均一年可能會發生一次堆心溶化的低概率。而在日本的第三代ABW2技術，則就到了10萬個堆年可能發生一次堆心溶化。

 

　　在新技術使用前，“全世界范圍內除了深度掩埋核廢料，還沒有更好的辦法。”芬蘭TVO公司的副總裁安尼利·尼古拉表示。該公司在芬蘭運營兩座第二代核電站，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劃放置在400米深的巖石倉庫里。

 

　　具體而言，處理核廢料，國際流行的辦法，除了污染較大的“適當包裝、儲存，一起直接處置”，還有一種“分離-嬗變戰略”。其原理是先將乏燃料進行化學分離，再用嬗變裝置將少數危險大、壽命長的毒素轉換為穩定的核素或是壽命相對較短的核素。

 

　　超高溫反應堆：提升50％效率

 

　　最近，美國愛達荷國家實驗室（INL）研發了兩個新的設計：超高溫反應堆（VHTR）和鈉冷卻反應堆（SFR）。兩者的安全特性結合起來就可以防止反應堆熱量過高和放射性物質的泄漏。科學家希望這些新發明能夠最終抹去人們對“三里島”核泄露及“切爾諾貝利”事件的痛苦回憶，同時推動核工業的發展。

 

　　切爾諾貝利核電站事件的主要原因是因為其采用了過時的技術，而且它的這種堆型本身在設計上就是存有缺陷的。按照核反應堆安全保護的相關要求，在鈾裂變產生熱量時，反應堆的工作應該是負溫度效應：當溫度逐步升高時，核反應堆的反應性就會呈反方向地逐步下降；而反應性下降，其產生的能量也就會隨之減少，這樣就能將溫度逐步降下來。如此反復循環，使反應堆中堆心（堆放核燃料并燃燒工作的地方）的溫度始終能夠保持一個合理的范圍內。而切爾諾貝利核電站當時采用的是正溫度效應，應堆工作越久，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，缺乏第四道保護屏障。所以產生了核爆炸泄露事件。

 

　　而1979年美國三里島核電站在發生事故時，由于有了防護墻，雖然造成了堆心溶化事件，但放射性物質并沒有對外泄露。

 

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

 

　　與切爾諾貝利反應堆不同的是，超高溫反應堆是負溫度效應，這意味著反應堆永遠不會達到足以讓自己崩潰的高溫。“無論人們做錯了什么”INL 的科學家McCarthy說，“假如有任何異常的事情發生，設備就會自動停止運轉。”

 

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

 

　　但是科學家首要問題是技術上的障礙。例如，堅硬的新合金可能是保護反應堆里層的必需物品。“但目前反應堆的材料時常不能匹配所應承受的溫度和壓力，”Richter說，“即使找到了匹配的材料，為了那些正在建設中的超高溫反應堆設備，可能還要花費數百萬的美元。”

 

　　鈉冷卻反應堆：可以燃燒廢料

 

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

 

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

 

　　因為反應堆有燃燒廢料的能力，一個改良的鈉冷卻反應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產生足以影響幾個世紀的放射性危害。核工業還將不得不繼續面對人們對反應堆的極度恐懼。

 

　　中國技術

 

　　我國“863”計劃研發了兩種先進的反應堆。一種是由清華大學核能技術設計研究院承擔的10兆瓦高溫氣冷實驗堆。高溫氣冷堆具有安全性好（不會對廠外公眾造成危害）、發電效率高（蒸汽發電效率38-40％，氦氣透平發電45-47％）、用途廣（可進行煤的氣化和液化、制氫等）的優點。該反應堆已于2003年1月29日達到滿功率并網發電。另一種是由中國原子能科學研究院承擔的中國實驗快堆。快中子反應堆的主要優點是可大大提高鈾資源的利用率，從目前輕水堆的1％左右提高到60-70％。(SMW)