核能在净零世界中的作用

李威/编译

在能源不断摆脱化石燃料的过程中，核能是不是扮演了一个不可或缺的角色？

在相关争议愈演愈烈的同时，新技术和体积更小的反应堆或许会打破这种平衡。

在超安全核能公司发布的一段动画模拟了海啸摧毁核电站并切断未来城市电力供应的场景。接下去会发生什么？也没什么：核反应堆会安静地自行关闭。这段令人颇感安慰的视频说：“它就在那儿，慢慢地冷却，最后没有任何工作的部分，也没有任何液体，没有任何指令、操作。那个时候，我们设计的核反应堆本质上极为安全，能够抵御任何意外事件。”

超安全核能公司总部位于美国西雅图，和其他几十家类似的公司一样站在了全球核能复兴的最前沿。目前，世界为了控制全球升温幅度，正越发急切地摆脱化石燃料，降低温室气体排放。在这个背景下，政策制定者、私人公司和研究者反复考察核能作为一种绿色替代能源的前景。如果答案是肯定的，那核能显然有助于补充风能、太阳能等可再生能源的发电产业。就当前的情况来说，核能产业正在走出停滞期，并有望在2050年将产能提高1倍至2倍。

支撑这场核能复兴的是两大炙手可热的技术。像超安全核能公司这样的企业正致力于打造小型模块化核反应堆。这种核反应堆的大小只有传统核反应堆的百分之几，因而能有效降低建造成本以及可能发生的灾难的烈度。另外，还有很多公司的目标是借助新技术杜绝核反应堆融毁事故并减少长周期核废料的产生。

然而，投资者对核能产业大幅提升的兴趣背后并非没有争议。与核能领域的所有事物一样，人类社会是否真的需要核能来应对气候变化，以及新核能系统是否像它看上去那样光鲜亮丽，关于这两个问题的争论也异常激烈，而且支持方与反对方都掌握了相当合理的论据。有些人认为，新技术可以为我们目前的能源困境提供一个极好的解决方案。还有一些人则认为，核能在环境、社会、经济方面都存在诸多问题，我们最好放弃这个选项，转而通过其他方式满足全球能源需求。

接下来的几年将决定核能在未来世界能源格局中的地位。哈佛大学肯尼迪学院核政策专家弗朗塞斯卡 · 乔瓦尼（Francesca Giovanni）说：“那是揭晓真相的时刻，在未来的几十年中，核能不成功便成仁……成功与失败的概率是50对50。”

核能发电量的起起落落

核电有一些显而易见的风险——熔毁事故，核燃料被挪用于核武器项目，开采铀矿带来的环境问题，核废料储存问题等。在如此多担忧的背景下，随着能源生产经济的转变，核电产业发展在21世纪初趋于平缓，在2011年的福岛核电站事故后甚至出现了短暂的倒退。有些国家——其中最值得一提的是德国——决定彻底关停本国核电项目。不过，目前，全球核电产量已经开始再度攀升。

如今，核电厂大约提供了全球电力的10%，成为仅次于水力发电的全球第二大非化石燃料能源。目前，全世界约有440座投入运行的核电厂 ，另有大约60座正在建造，还有大约100座处于计划阶段。

在联合国政府间气候变化专门委员会将全球变暖控制在1.5℃以下的诸多设想中，大部分都提及要增加全球核电产量。在国际原子能机构的净零规划中，到2050年，全球核电产量要在2022年的基础上翻倍。核能受到如此重视的一个关键原因是，普遍认为核能是一种能稳定提供基本电力的好方法，从而能填补风能、太阳能等其他可再生能源的空白。支持发展核能的一方认为，要是不借助核能，我们就要建造多得多的风电厂和太阳能发电厂以确保稳定的全球电力供应，这么做的成本是部署核电厂网络的2倍乃至3倍。

核能无疑有很多优势，比如：核电不产生任何碳排放（还有一个与公众直觉相反的好处，核电厂往环境中排放的放射性铀和其他元素，要少于燃烧煤炭）；核电厂占用的土地也比其他可再生能源少得多，这也是一个不可忽视的因素。加州大学伯克利分校核物理学家凯 · 维特尔（Kai Vetter）说：“如果我们的目标是在造成尽可能少的社会阵痛的前提下快速脱碳，那么核能就是必由之路。”

2023年12月，在阿联酋迪拜举办的联合国气候大会上，20多个国家签署了一项在2050年前让核电产量提升到目前3倍的宣言。而且，现在这个方向也的确正在吸引大量资金。2020年，美国能源部特别拨款1.6亿美元，用于建设两座示范性核聚变工厂 ，并计划在2027年投入运行。另外，2022年，欧盟宣布，部分核能项目可以贴上其他可再生能源那样的“绿色”标签，从而为核能的环境融资机制打开了大门。

然而，与所有同核能相关的议题一样，批评核能的观点也并不少见。例如，不列颠哥伦比亚大学公共政策专家拉玛纳（Ramana）就是诸多反对核能者之一。这个群体认为，高灵活度的多样性灵活电网就足以通过在发电源和储电设施之间分配电力来保证可靠的电力供应。

另外，随着可再生能源生产成本的快速下降，现今针对能源相对成本的经济估算在未来可能没有多少意义。

接着就是安全性的问题。虽然所有核能发电设施迄今导致的总死亡人数难以量化，但必然远低于与化石燃料有关的空气污染造成的死亡人数。美国宇航局科学家最近发表的一篇论文称，在1971—2009年间，核能发电因为避免了空气污染挽救了大约180万人的性命。还有一些观点认为，相比风电，核电的致死率也更低——海上风力发电厂导致了不少溺水事件以及直升机与涡轮机的碰撞事件。

然而，仅用事故致死率来衡量核电产业的影响，显然不是一种直接有效的方法，因而争议很大。毕竟，核电产业还有污染大片土地的事故风险，还有与开采铀矿、存储核废料相关的诸多其他影响。拉玛纳认为，上述所有问题的负担最后会不成比例地落在核电厂所在地居民和那些没有享受到核電好处的社区身上，这与社会公平的大目标背道而驰。他写道：“核能与任何负责任的清洁能源系统的理念都背道而驰。”

小且亮：新核能技术

如果我们把未来核能产业的目标定在国际原子能机构要求的那种规模上，那无疑需要付出巨大的努力。按照国际原子能机构规划的路径，在未来十年里，每年建造的大型核电站数量要从5座飙升至20座。而大型核电站的造价一般都在几十亿美元，同时还有巨大的财政风险。举个例子，最近申请破产的西屋电气公司就是因为在美国建造4座核电站期间面临了高达数十亿美元的成本超支。

要想规避这些庞大到令人望而却步的建造成本，一种方案是转而建设小型模块化核反应堆，包括那种可以用卡车运输、能产生几百兆瓦能量的核反应堆，也包括那些大型柴油发电机大小、只能产生一兆瓦左右能量的微型核反应堆。这种模块化核反应堆可以在工厂里预生产，然后再运往核电站选址组装。所有这些都会让投资这类核反应堆的成本变得对投资者来说不那么可怕。只不过，单位电力的最终生产价格可能会高于其他更大型的核电站。

俄罗斯、中国和印度已经在着手建造一些小型模块化核反应堆，还有几十个处于规划阶段。加拿大也推出了一项国家级小型模块化核反应堆，2021年时还有10个此类计划在评估之中（其中有一个就来自超安全核能公司）。

然而，卡内基梅隆大学气候与能源决策中心物理学家兼联合主任格兰杰 · 摩根（Granger Morgan）说，到目前为止，小型模块化核反应堆极为低廉的建造成本还只是空头支票。摩根仔细研究了美国核电产业的相关数据，结果很令他失望。他表示：“我原本以为小型模块化核反应堆能给我们带来大得多的希望，但看着现在的这些数字，实在是憧憬不起来。”

摩根的这种感受得到了现实的充分印证。2023年11月，NuScale公司就因为不断飙升的建造成本放弃了在艾奥瓦州建造地下小型模块化核反应堆的计划。摩根说：“掌握核能是不是很棒？没错，绝对是的。但代价是我们能承受的吗？我们离这个问题的答案还差得很远。”

其他观点则认为，小并不总是意味着美。虽然小型核电站资金风险更小、潜在的事故风险也更小，但这种核能发展事业也意味着总体上更多的核电站，以及更多用來防备盗窃和恐怖主义的相关设施。乔瓦尼说：“小型模块化核反应堆意味着我们要分散更多可以裂变的物质，这就是说，我们必须拥有更多用于安全保障的基础设施。我觉得，这会让本就不怎么好的情况变得更加糟糕。”

下一代核能

有些人把重点放在了让核电站变得更小上，与此同时，还有一些人则努力让核电站变得更安全、更高效。下一代核反应堆设计方案——用业内的话说，这是第四代——包括6个主反应堆系列，每个系统都与现在的标准大不相同，而且都有更多有待试验的变体处于开发之中。在这6个系列中，有3个吸引了更多关注（尤其是在美国），它们是：高温气冷方案、熔盐方案以及钠冷却方案。

这些技术背后的理念，甚至某些已经进入早期建设阶段的核电站，早在几十年前就已经出现。不过，这些旧想法在结合了新的燃料和设计方案后，有望变得更安全、更高效、更环保。摩根说：“他们正在做各种高精尖、高科技含量的工作。我丝毫不怀疑，新的核反应堆会比以前的更加安全。”

目前，大部分核反应堆使用的都是水冷铀系统，而这种系统能成为主流，很大程度上也是因为科技史上的一个怪癖。和其他所有类型的核反应堆一样，水冷铀系统也有自己的优点和缺点。首先，这个系统一般在300℃左右的环境中工作，所以必须使用很高的压力以保证水不会沸腾。另外，按照设计，这种系统要处理的是运动相对缓慢的中子（慢中子）——这种亚原子粒子与核燃料碰撞后会启动核裂变过程。慢中子更有可能与核燃料发生相互作用，但使用慢中子的系统在能够使用的燃料类型上会受到限制。如果核裂变反应失控，或者核反应堆过热导致堆芯“熔化”——就像在三里岛、切尔诺贝利和福岛发生的那样——那么灾难就会降临，向环境释放大量辐射。

为了能让反应系统自动阻止核事故的发生，水冷核反应堆的最新模型（有时称作“第三代加”，囊括了许多小型模块化反应堆） 运用了一些新的设计技巧，从而减少了那些需要人为干预的安全系统的数量。不过，第四代核反应堆使用的是完全不同的冷却材料，通常设计在更高、 更有效的温度下工作，而且使用运动得更快的中子，这类中子可以把最为常见的铀的天然同位素转化为可供使用的燃料，甚至能以核废料为原料。

举例来说，高温气冷堆的运行温度高达950℃，这使得它们在热效率上比水冷堆高出20%～33%。因为这类反应堆使用的堆芯材料通常在高达1600℃的温度（这个温度已经超过了熔岩）下也仍然是稳定的，所以有很大的安全裕度。超安全核能公司动画中的核反应堆就是这个类型的小型模块化反应堆，它的小体型也有助于被动冷却。超安全核能公司还在自行生产燃料颗粒。他们把颗粒包裹在一种定制材料中——按他们的说法，这种材料在极端环境条件下也能保存放射性物质。目前，超安全核能公司期望在加拿大建造他们的第一座商业微反应堆。

在熔盐反应堆中，燃料和冷却剂都已经是液态的了。因此，传统意义上的熔融压根就不可能发生。另外，液态钠冷却的反应堆还有一种自带的安全特性：受到加热时，液态钠会膨胀，让更多中子从原子之间的空隙中逸出，于是，核裂变反应（由中子驱动）自然就会减弱。美国能源部已经为美国泰拉能源公司（比尔 · 盖茨是这家公司的一个主要投资人）提供了资金支持，资助后者在2030年前于怀俄明州建造一座由钠冷却反应堆提供能源的试验性核电站。

核能不浪费，不索取

乔瓦尼说，核反应堆的新设计方案确实显著改善了的领域就是核废料。她说：“到目前为止，还是没有任何反应堆能完全解决核废料的问题，但它们确实对削减核废料的数量提供了一些意义重大的解决方案。”由于反应过程中会产生一些寿命颇长的放射性副产物，传统水冷反应堆产生的核废料需要埋在特殊的储藏库中数十万年才能确保安全。另一方面，部分第五代反应堆可以把核废料转变为更易裂变的同位素，用于进一步的核裂变反应。这不但能提升效率，而且产生的废料只需储存数百年即可。

不过，并不是所有人都认为所有这些系统都像看起来那样光鲜。2021年，忧思科学家联盟发表了一篇题为“先进并不总是更好”的报告，强调了安全、可持续性以及核扩散方面的问题。他们的结论是：几乎所有第五代反应堆都“未能展现相对轻水反应堆的显著性能提升，未能有力证明它们值得我们冒巨大的风险”。

乔瓦尼说，有些人批评这份报告，认为这份报告在意识形态上就是反核能的。不过，她也表示，指出新技术带来的新困扰，“很公平、很公正”。这份报告指出，液态盐具有腐蚀性，液态钠与空气或水接触可能会爆炸。这份报告最后的结论是，高温气冷反应堆虽然能承受高温，但“远非某些人宣称的那样能够防止熔毁”。

灼热的思想

第五代系统中有许多都提供了另一项关键优势：它们更高的反应温度不仅能提供电力，还能提供有用的热能。这些热能可以用于生产多种工业制品，比如：钢铁、水泥、化肥，就目前的情况来说，上述工业制品在生產过程中都需要使用大量化石燃料。

维特尔说：“这种热能几乎完全是免费的。”他发现，核反应产生的热能在海水淡化过程中拥有特殊作用，可以从盐水中获取清洁的饮用水，就像位于美国加利福尼亚的迪亚波罗峡谷核电站做的那样。实际上，由美国能源部资助的目前处于行业领先地位的美国第四代核能公司X能量已经与陶氏化学公司合作，计划于2030年前在陶氏化学公司的生产基地建造第一座高温气冷反应堆。不过，摩根认为，大部分公司仍会在庞大的建设成本面前退缩。

然而，即便后续证明第四代反应堆在技术上是优越的，我们也仍旧需要数十年时间做彻底验证、通过监管机构的审核，并达到商业化规模。加拿大里贾纳大学现已退休的核工程师埃萨姆 · 侯赛因（Esam Hussein）表示，我们已经没有多少时间同气候变化做斗争了，在这样的背景下，最好还是继续使用已经得到证实的旧反应堆设计。他说：“对于已有的那些核反应堆，我们有充足的运营经验，成熟的监管框架。既然我们的目标是对抗气候变化，为什么不选择这个已经知根知底的魔鬼呢？”

那么，我们为什么一定要与魔鬼合作？在这个问题上，很多人会立刻指出，所有能源解决方案都有问题，可再生能源也是如此。乔瓦尼说，她认同对核能产业的一种批评意见，也即我们正“以一种非常缺少批判性的方式一头扎入可再生能源”。风力发电和太阳能发电需要电子设备和电池组储存能量，这些东西反过来也需要锂和钴等元素，而锂矿和钴矿的开采可能会带来比较严重的环境问题和社会公平问题。对此，维特尔表示：“没有什么是百分之一百安全的。”

考虑到核能的发展历史与牵涉的巨额资金，许多人很难接受与核能相关的数据、说明以及统计数字。近年来，乔瓦尼一直在批评核能产业回应公众关切的方式。她说：“我认为，核能产业大部分时候都只是在向公众展示一些毫无作用的废话。”不过，她个人对这个领域最大的担忧是“进展太慢”。以乔瓦尼为代表的这一方认为，如果像超安全核能公司、X能源、泰拉能源这样的公司希望借助第四代反应堆技术和小型反应堆帮助人类解决气候变化问题，那他们必须加快步伐了。

资料来源 Knowable Magazine

本文作者尼古拉 · 琼斯（Nicola Jones）是一位自由撰稿人，主要报道科技、环境、能源领域的热点新闻