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福島事故之後的核電:事實與數字

The functioning unit of the Three Mile Island Nuclear Generating Station

大多數的核電廠目前在發達世界運轉 flickr/rowens27

電承諾為發展中國家帶來清潔能源。Dave Elliott描述了在福島核事故之後它的進展和前景。

60年以來,使用鈾發電的核電站一直被當作是一種能為繁榮的新世界提供廉價、清潔的能源的方式加以推廣。

核能如今提供了全世界13.8%的電力,其中大多數核電站在已開發國家[1]。而且由於核電站不排放二氧化碳,它們可以視為應對氣候變化的一種方式。

然而這種技術的反對者指出了其缺點:建設、運營和維護核電站以及處理放射性廢物的成本高,以及有效監管環境與人員安全風險的困難。

開採和處理反應堆燃料也需要大量能量,因此在整體上核系統其實不是零碳排放的。

所有這些為發展中國家帶來了一個兩難局面,它們需要相對廉價的能源。一些發展中國家已經發現核能是一個有吸引力的選項,而且已經對核電站進行了投資(見 表1)

國家 佔電力的百分比 10億千瓦時

(2)

6,7 5,9

(2)

13,9 3,1

(14)

71,0 1,8

(5)

20,5 2,9

(21)

141,9 32,2

(2)

5,6 3,6

(3)

2,6 2,6

(2)

12,9 5,2
WORLD(440) 2.630 13,8

表1:發展中國家的核電
發展中國家的核電電力產出以及佔全球發電量的百分比(核電站數量在括號裡)。

來源:世界核電協會2011 [1]

但是在福島核電站於2011年3月日本海嘯後發生核事故之後,另外一些曾經打算建立核電站的國家如今已經放棄了它們的計劃(見 表2)

發展核電的發展中國家 不再感興趣的國家
孟加拉國 古巴*
智利 科威特
埃及 馬來西亞
伊朗 菲律賓
約旦 卡塔爾
哈薩克斯坦 泰國
肯尼亞
朝鮮
沙特阿拉伯
土耳其
阿聯酋(阿布扎比)
越南
委內瑞拉

*古巴在數年前就放棄了核計劃

表2:發展中國家核電的當前規劃

福島核事故破壞了全世界對核電的信任和支持。各國的觀點各不相同,但是如今 60%的人反對核電(見 框1)。

框1:福島核事故之後的公共觀點

在2011年5月進行的一個24國公共觀點研究[2]發現,62%的被調查者反對核電——25%的人改變了觀點,這對反對核電選項起到了決定作用。一些發展中國家和大部分歐洲國家的反對率非常高。

Protesters at the 2010 anti-nuclear protest in Istanbul, Turkey

各國觀點不一,然而大多數民眾對核電持反對意見Flickr/ anirvan

例如,墨西哥的被調查者在被問及它們是否"支持核電"作為一種發電方式的時候,81%的人表示反對,其中52%表示強烈反對。在阿根廷,反對率 是72%,巴西是69%。印度尼西亞(67%)、南朝鮮(61%)、南非(60%)、中國(58%)和沙特阿拉伯(58%)的反對率也很高。在發展中國家 裡,只有印度的支持者佔多數(61%)。

調查的結果當然取決於所使用的問題。當被問及他們是否把核能視為可行的長期選項的時候,印度的50%的被調查者說不;50%的人也不認為它是讓 電力生產現代化的一種方式。其他發展中國家的被調查者對這兩個問題全都給出了很低的贊同率,只有沙特阿拉伯是例外。在沙特,54%的被調查者認為核電是可 行的長期選項,這表明該地區對核電更樂觀。

很明顯,一些需要持續的、相對低碳的電力供應的發展中國家仍然認為核電是前方的道路,儘管它存在風險和動盪的過去。

核事

民用核電來源於美國和蘇聯在第二次世界大戰期間開發核武器的項目。這導致了20世紀60年代反應堆的大開發。

在20世紀70年代,這種技術傳播到了中國、印度和日本等國,它們的民用核項目的開發受到了美國或蘇聯的支持。其他一些國家也採用了核選項,特別是阿根廷、巴西、墨西哥、南非和南朝鮮。

然而,在1979年,在美國三里島核電站發生了一起重大核事故。這次事故再加上核電與其他能源選項(如煤炭)相比經濟性不佳,這終止了美國新的 核電項目的開發。儘管核電站的淨燃料成本比化石燃料發電站低,它的資本成本通常是後者的3倍,而且隨著安全要求的增加還會增長。[3]

Nuclear warning sign by Flickr/ azkid2lt

核能計劃在造成輻射危害的切爾諾貝利爆炸等重大災難之後陷入了僵局。 Flickr/ azkid2lt

然後在1986年,在烏克蘭的車諾比發生了更嚴重的核事故,數千人的死亡被歸咎於此次事故,儘管這個死亡數量仍然有爭議。那時候,許多(但不是所有)歐洲國家放棄了核能。

在20世紀90年代後期,隨著氣候變化變成一個越來越大的問題,核工業試圖恢復它的市場份額。在2000年代初,在美國總統喬治‧W‧布希任期內,美國主導的全球核能夥伴關係項目致力於在發展中國家推廣核電。

奧巴馬總統已經放棄了這個項目,但是到21世紀初,已經出現了由中國和印度領導的某種全球核復興。在2010年,一些歐盟國家已經扭轉了它們的反核立場。俄羅斯拓展了它的項目,而美國正在尋求啟動新的項目。

熱衷於進一步拓展市場的一些核技術製造商也在注視著其他地方——例如南美洲,在那裡,智利和委內瑞拉已經表示了感興趣(俄羅斯答應幫助委內瑞拉),還有中東地區。

埃及在推廣核選項方面是另一個主要參與者,再加上沙烏地阿拉伯和阿拉伯聯合酋長國。卡達、科威特和約旦也表達了對核能的興趣。伊朗已經有了核項目,以色列也有,雖然這兩個國家的核項目都很小。

核技術的雙重用途

全世界大多數核電站是基於美國的壓水反應堆(PWRs)的設計(見圖1)。諸如沸水反應堆(BWRs)和其他一些類型(特別是俄羅斯的各種設計)較不常見。

一些更新的升級版本的壓水反應堆正在出現,諸如法國的EPR和美國的AP1000。

大多數現代核電站的發電能力是1000兆瓦到1600兆瓦。更小的微型反應堆設計能提供20兆瓦到300兆瓦的功率。[4]

US Nuclear Regulatory Commission圖1 一個典型的壓水反應堆的設計 來源: 美國核管理委員會

不論具體設計如何,它們運作的基礎是相同的。鈾礦石的一種稀有成分鈾-235(U235)是鈾的天然同位素中唯一能夠在富集起來的情況下維持核裂變鏈式反應、產生大量熱和輻射的同位素。這種熱可以用於讓水蒸氣驅動傳統的發電站使用的那種汽輪機,從而產生電力。

另一種放射性元素鈈是核裂變的不可避免的一種副產物。它也是核武器使用的主要材料。但是U235在合適地濃縮之後也可以用於核武器。因此,為了製造核彈,你或者需要一個富集U235的"濃縮"系統,或者需要一個製造鈈的核反應堆。

由於大多數反應堆需要稍微濃縮一些的鈾才能運作,瞭解一個具體的濃縮活動是否被用於製造民用核電燃料還是核武器,需要密切的監察。同樣地,我們很難瞭解知道反應堆是否及何時被用於製造武器級的鈾。

當然,大多數已知的核武器是在已經有了民用核電項目的國家製造出來的。考慮到技術上的重疊,大多數國家在1970年簽署了《核不擴散條約》(NPT),該條約尋求控制這種技術的軍事用途。

然而,印度沒有簽署該條約,而且已經自己製造出了核武器。巴基斯坦也是如此,據信,以色列也製造出了核武器。朝鮮最初簽署了該條約,但是之後有一個漫長的履約的紛爭,伊朗也是如此。

成本和危

核技術的民用和軍用的重疊可能導致政治衝突,這是一個重大的缺點。但是還有其他缺點。

核電站要求投入大量資金,這部分是由於它們的複雜性以及高度安全的要求。儘管燃料成本比化石燃料發電站低,它們發出的電的成本可能更高,這取決於一系列的因素,包括貸款建設以及政府是否提供補貼。

表3展示了在公共部門資助(5%折扣)和私營部門資助(10%折扣)情況下對核電站和燃煤電站發電成本的估計。它們表現出了很大的差異,而且專家在如何充分表現不同的能源的社會和經濟成本方面存在不同意見。

 5%折扣率,c/kWh
國家 核電 煤電
比利時 6.1 8.2
捷克 7.0 8.5-9.4
法國 5.6
德國 5.0 7.0-7.9
匈牙利 8.2
日本 5.0 8.8
韓國 2.9-3.3 6.6-6.8
荷蘭 6.3 8.2
斯洛伐克 6.3 12.0
瑞士 5.5-7.8
美國 4.9 7.2-7.5
中國* 3.0-3.6 5.5
俄羅斯* 4.3 7.5
 10%折扣率,c/kWh
國家 核電 煤電
比利時 10.9 10.0
捷克 11.5 11.4-13.3
法國 9.2
德國 8.3 8.7-9.4
匈牙利 12.2
日本 7.6 10.7
韓國 4.2-4.8 7.1-7.4
荷蘭 10.5 10.0
斯洛伐克 9.8 14.2
瑞士 9.0-13.6
美國 7.7 8.8-9.3
中國 4.4-5.5 5.8
俄羅斯 6.8 9.0

表3:經合組織的在5%和10%的折扣率的情況下的2010年發電成本預測(c/kWh)

來源:OECD/ IEA NEA 2010 [5]

而且新的項目的問題讓成本估計無法實現。例如,在法國建造的一個1600兆瓦的EPR反應堆最初估計耗資33億歐元,但是在長時間的建設延誤之後,它看上去要耗資60億歐元。[6]

處理產生的放射性廢物以及讓核電站在接近壽命末期的時候退役也很昂貴。有一些方案打算把非常長壽命的放射性廢物放在深層地下儲存,但是迄今為止還沒有一個這樣的儲存地點。在廢料從核電站關閉之後的很長時間裡仍然危險,核電站的運營壽命大約為40年。例如,鈈的活性減少一半需要大約2.4萬年。

Workers monitoring radioactive waste tank

安全地管理放射性廢物花費高昂,並且需要先進的技術性的專業知識。 Flickr/ PNNL – Pacific Northwest National Laboratory’s photostream

重大事故的風險是另一個主要的擔憂——它們的社會和經濟成本可能是巨大而持續的。例如,白俄羅斯估計,因為車諾比和事故造成的30年中的累積健康和社會影響造成的經濟損失是2350億美元。而且烏克蘭政府5%到7%的開支仍然用於了與車諾比有關的救濟項目[7]。

近來,日本經濟研究中心估計福島核事故的成本可能達到2500億美元,包括對從該地區疏散的18萬人的賠償。[8]

正如福島核事故所表明的,核電帶來了重大的安全挑戰——尤其是處理緊急情況以及發展技術能力從而安全地運營核電站及其相關基礎設施,包括廢物管理。

燃料的可利用度

也有燃料供應的問題。鈾的主要礦藏在澳大利亞、加拿大、納米比亞和哈薩克斯坦,而且據說按照現在的使用率足夠使用70年。[9]

新發現的鈾燃料和新的使用鈾的技術可能會延長這個時間。例如,快中子增殖反應堆可能通過把此前成為廢料的鈾"增殖"成鈈從而幫助擴大鈾的儲量。一些原型堆已經建造完成,但是迄今為止這還是一種相對不成熟的技術,有潛在的安全問題。[10]

考慮到鈾可能的短缺,一些國家正在探索使用釷,後者的儲量是鈾的3倍以上。一些原型堆已經存在了,而且印度和中國都在研究這個選項。

但是在更長的時期裡,核裂變的前景不可避免地受到了有限的燃料供應的限制。因此核裂變不可能延長足夠的時間從而永久取代化石燃料。這提示核能可能不是應對氣候變化的最適合的選項。

應對氣候變化的一個可能的選項是核聚變(核融合),因為核融合所需的燃料所受的限制遠遠更少。某些聚變燃料(氘)可以從海水中獲取,而氚可以用鋰制取。

但是這不是一個可以立即實現的前景——核融合目前是一個尚未充分開發的技術。它或者需要非常高的溫度(大約2億攝氏度),或者高功率聚焦激光脈沖,迫使原子核聚合併釋放能量。迄今為止,尚未證明有可能用它產生比運行反應堆所需的能量更多的能量,或者讓反應堆穩定運行的時間超過數秒。

熱衷於核融合的人士說,如果耗資數十億美元的國際研究項目進展順利,核融合到2100年可能提供全球電力的大約20%[11]。但是這個目標並沒有獲得保證。

遠遠更成熟的是一些可再生能源選項,使用諸如風、潮汐和太陽等天然而無窮無盡的能量流。可再生能源已經提供了全球電力的20%(如果水電也計入其中),而且其迅速拓展的前景也很好——政府間氣候變化委員會提出,到2050年可再生能源可能供應全球電力的77%。[12]

誰入選,誰淘汰

福島核事故讓核電走到了十字路口,正如車諾比事故之後的情況。

幾個發展中國家已經放棄了核選項。日本已經決定放棄它的核電站延期計劃,並且正在考慮完全淘汰核電站,而德國已經啟動了一個淘汰項目——這兩個國家正在轉而支持可再生能源。

義大利也已經放棄了它的核計劃,瑞士也是如此。甚至在傳統上支持核電的法國也說它將會考慮到2050年全面淘汰核電。

發展中國家的圖景更為複雜。中國正在重新評估它的核項目,而且考慮削減到2020年裝機80吉瓦的正式目標。目前中國的核電佔全部電力的不到2%,但是它已經打算到2020年增加到大約4%。儘管這是一個很小的比例,考慮到中國很大,這代表了一個非常大的項目。

但是要正確看待這個問題,就要考慮到中國打算到2020年從可再生能源和其他低碳能源選項中獲得其總能源(不僅僅是電力)的15%。

印度是一個特殊的例子。由於印度不是《核不擴散條約》的締約方,印度有時候發現很難從國外獲取鈾,這是由於對其獲取核燃料的國際限制。然而,儘管存在強烈的當地反對,他們正在推進一個雄心勃勃的擴展計劃,到2020年增加到20兆瓦。

在其它地方,東南亞、台灣和南韓正在評估它們的核項目,而泰國和馬來西亞放棄了它們的核規劃。菲律賓政府說它可能把它的1億英鎊的核預算"重新導入"到可再生能源領域。但是越南已經決定推進它的到2030年建立14個核電站的規劃。

在中東地區,沙烏地阿拉伯正在考慮一個1000億美元的項目,到2030年建造16個新的反應堆。阿布扎比的首座核電站定於2017年啟用,之後還有3座核電站。而土耳其也在抓緊實施它的核項目。然而,科威特如今說它不再希望走上核電的道路。卡達也發出了類似的宣佈。

在非洲,南非已經從核電中獲得了6%的電力,而且已經打算擴展核電容量。但是金融危機已經導致它放棄了這些規劃(至少是暫時放棄),並且放棄了它的先進的"球床(‘pebble-bed)"微型反應堆項目。

而且儘管南非看上去熱衷於繼續其核電項目,它也認為可再生能源能夠在滿足該國未來能源需求方面做出更大的貢獻。

相比之下,肯亞看上去熱衷於把重點專門放在核電上。該國已經計劃了一個數十億美元的項目,如果實施,這個項目將在未來的15年裡為該國提供大部分的電力。

這個核故事在發達國家和發展中國家都遠遠沒有結束。在更長的時期裡,新的核技術可能出現,它可能更安全而且更具成本效益,或許產生的廢料更少,使用燃料更有效率。

按照目前的情況,替代方案是迅速部署可再生能源技術,其中一些技術已經得到了廣泛使用。發展中國家在為其能源的未來考慮核選項的時候需要權衡目前的證據。

Dave Elliott是英國開放大學的技術政策終身教授

本文是福島事故之後的核電專題聚焦的一部分。

本文原發表於SciDev[20110928]

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