核子動力

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核能發電的燃料產業鏈
這是一座位於法國的核能發電廠。水蒸氣正在從雙曲面形狀的冷卻塔排出。核反應爐位於圓桶狀的安全殼建築物
三艘美國戰艦, (從上到下) 核子動力巡洋艦 USS BainbridgeUSS Long Beach 以及 USS Enterprise 在1964年的第一艘核子動力航母。 在飛行甲板上,船員們組成拼寫 愛因斯坦質能等價方程式 E = mc2
俄羅斯核子動力破冰船 NS Yamal在1994年與國家科學基金會的共同探險。

核子動力英語Nuclear power,也稱原子能核能)是利用可控核反應來獲取能量,從而得到動力熱量電能。產生核電的工廠被稱作核電站,將核能轉化為電能的裝置包括反應爐汽輪發電機組核能在反應爐中被轉化為熱能,熱能將水變為蒸汽推動汽輪發電機組發電。

利用核反應來獲取能量的原理是:當裂變材料(例如鈾-235)在受人為控制的條件下發生核裂變時,核能就會以熱的形式被釋放出來,這些熱量會被用來驅動蒸汽機。蒸汽機可以直接提供動力,也可以連接發電機來產生能。世界各國軍隊中的某些潛艇航空母艦以核能為動力(主要是美國)。

根據國際能源署的資料,2007年全球電力有13.8%由核能提供。[1]截至2014年9月,全世界共有437個核電機組處於運行狀態,總裝機容量為374.5吉瓦。超過150艘使用核子動力推進的艦船已被建造。

核子動力相關的事故包括三哩島核泄漏事故(1979年)、車諾比核事故(1986年)、福島第一核電站事故(2011年),和一些核子動力潛艇事故。在各種能源的事故之中,按照每個單位發電的人命損失計算,核電的安全記錄優於其他幾種主要的發電方式。而將來可能會使用的核聚變發電,其安全性將可以接受。[來源請求]

中國已有25座核電站正在建造,並且計劃建造更多的[2]。美國有近一半的核反應爐的證書被延長到60年[3],並且認真考慮建造十幾個新核電站的計劃[4]。德國決定在2022年前關閉所有核電站,而義大利禁止核電站[5]。繼福島之後,國際能源機構估計到2035年要減半新增加的核能發電能力[6]

應用[編輯]

法國核電發電比例極高,圖為法國核電廠位置。
美國核電位置

美國每年產生的核能居全世界首位,美國人消耗的電能中有20%來自於核能。如果按核能佔總電能的百分比來看,法國則為全球第一。2006年的調查顯示,核能滿足了78%的法國電能需求。[7][8] 歐盟需要的30%的電能來自核反應。[9]各國的核能政策均各有不同。

核能是一種儲量充足並被廣泛應用的能量來源,而且如果用它取代化石燃料來發電的話,溫室效應也會減輕。國際間正在進行對於改善核能安全性的研究,科學家們同時還在研究可控核聚變和核能的更多用途,比如說制(氫能也是一種被廣泛提倡的清潔能源),海水淡化和大面積供熱。1979年的三哩島核泄漏事故和1986年的車諾比核事故使美國放緩了建造核能發電廠的步伐。後來,核能在經濟與環境兩方面的益處使聯邦政府又開始重新考慮它。公眾也對核能很感興趣,不斷飆升的油價,核能發電廠安全性的提高和符合京都議定書規定的低溫室氣體排放量使一些有影響的環境保護論者開始注意核能。有一些核反應爐已處於建造當中,幾種新型核反應爐也在計劃之中。

關於核能的利用一直存在著爭議,因為那些放射性核廢料會被無限期保存起來,這就有可能造成泄漏或爆炸,有些國家可能借應用核能的名義來大量製造核武器。核能的擁護者說這些風險都是很小的,並且應用了更先進的科技的新型核反應爐會將風險進一步降低。他們還指出,與其它化石燃料發電廠相比,核能發電廠的安全記錄反而更好,核能產生的放射性廢料比燃燒煤產生的還少,並且核能可以持續獲得。而核能的反對者,包括了大部分主要的環境保護組織,認為核能是一種不經濟,不合理且危險的能源(尤其是與可再生能源相比),而且他們對新技術能否減低成本和風險也存在著爭議。有些人擔心朝鮮伊朗可能正在以民用核能的名義研製核武器。朝鮮已經承認擁有核武器,而伊朗則對此否認。

歷史[編輯]

起源[編輯]

第一個成功的核裂變實驗裝置在1938年的柏林德國科學家奧托·哈恩莉澤·邁特納弗瑞茲·斯特拉斯曼製成。

第二次世界大戰中,一些國家致力於研究核能的利用,它們首先研究的是核反應爐。1942年12月2日,恩里科·費米在芝加哥大學建成了第一個完全自主的鏈式核反應爐,在他的研究基礎上建立的反應爐被用來製造轟炸了長崎的原子彈「胖子」中的。在這個時候,一些國家也在研究核能,它們的研究重點是核武器,但同時也進行民用核能的研究。

1951年12月20日人類首次用核反應爐產生出了電能,這個核反應爐位於愛達荷州Arco的EBR-I試驗增殖反應爐,它最初向外輸出的功率為100kW。

1952年,帕雷委員會(「總統的材料政策委員會」的簡稱)向當時的美國總統哈利·S·杜魯門提交了一份報告,這份報告認為核能的前景「相當悲觀」,它建議應該讓科學家們研究太陽能[10]

1953年12月,美國總統德懷特·艾森豪發表的名為「和平需要原子」的演說,這使美國政府開始資助一系列國際間的核能研究。

早期[編輯]

這是位於賓夕法尼亞州碼頭市的「碼頭市核電站」,它是美國第一個投入商業運營的核反應爐,於1957年開始工作。

1954年6月27日,世界上第一個為電網提供電力的核電站在蘇聯奧布寧斯克開始運行。[11]這個反應爐使用了石墨來控制核反應並用水來冷卻,功率為5兆瓦。全世界第一個投入商業運營的核反應爐是位於英格蘭設菲爾德的Calder Hall,它於1956年開始運行。它有一個Magnox型反應爐,最初的輸出功率為 50兆瓦,後來提高到了200兆瓦。[12] 賓夕法尼亞州碼頭市的一個壓水型反應爐是美國第一個投入商業運營的反應爐。

1954年,美國原子能委員會美國核管理委員會的前身)的主席說,人們談到核能時經常會提到,如果廣泛應用核能,電力在將來會變得很便宜,實際上這是錯誤的。但是人們的這種想法已經讓美國決定在2000年之前建造1000個核反應爐。[13]

在1955年聯合國的「第一次日內瓦會議」中,世界上聚集了最多的科學家來一起探索核能這個新領域。1957年,歐洲原子能共同體(EURATOM)與歐洲經濟共同體(即現在的歐盟)一同成立。同年成立的還有國際原子能機構(IAEA)。

發展[編輯]

核反應爐的功率提升迅速,從1960年代的不到1吉瓦猛增至1970年代的100吉瓦,1980年代又升到了300吉瓦。1980年以後,核反應爐的功率的提升變得不那麼迅速了,到2005年,功率只上升到了366吉瓦,大部分來自於中國的核能建設。[14]

這是華盛頓公共供電系統,其中的3號和5號核電站在未完工時便遭廢棄。

在1970年代和1980年代之間,建造核電站所需的巨額費用(來自政府要求的提高和一些反對者的訴訟所要求的經常性改進)和下降中的化石燃料價格使建造當中的核電站變得不那麼吸引人。

在20世紀後半葉,一些反對核能的運動開始興起,它們擔心的是核事故核輻射,還反對生產,運輸和儲藏核廢料。1979年的三哩島核泄漏事故和1986年的車諾比核事故成為了許多國家停止建造新核電站的關鍵理由。澳大利亞於1978年,瑞典於1980年義大利於1987年都對建造核電站的問題發動了全民公投,同時愛爾蘭的核能反對者成功地阻止了在該處核能計劃的實施。但布魯金斯學會表示,美國政府沒有批准新核電站的建造主要是由於經濟原因,而非安全問題。[15]

據中國國家能源局核電司,2014年10月,大陸在運核電機組20台,裝機容量1794萬千瓦;在建規模28台,裝機容量3061萬千瓦。按照規劃,2020年運行核電裝機將達到5800萬千瓦,在建3000萬千瓦左右。

反應爐的種類[編輯]

當今的技術[編輯]

核燃料貯存池

現今正在運營的核反應爐可依裂變的方式區分為兩大類,各類中又可依控制裂變的手段區分為數個子類別:

核裂變反應爐通過受控制的核裂變來獲取核能,所獲核能以熱量為形式從核燃料中釋出。現行核電站所用的全為核裂變反應爐,這也是本段的主述內容。核裂變反應爐的輸出功率為可調。核裂變反應爐也可依世代分類,比如說第一、第二和第三代核反應爐。現在的標準核反應爐都為壓水式核反應爐(PWR)。

快中子式核反應爐和熱中子式核反應爐的區別會在稍後講到。總體來說,快中子式反應爐產生的核廢料較少,其核廢料的半衰期也大大短於其它型式反應爐所產生的核廢料,但這種反應爐很難建造,運營成本也高。快中子式反應爐也可以當作增殖型核反應爐,而熱中子式核反應爐一般不能為此。

壓水反應爐內爐
這種反應爐完全以高壓水來冷卻並使中子減速(即使在溫度極高時也是這樣)。大部分正在運行的反應爐都屬於這一類。儘管在三哩島出事的反應爐就是這一種,一般仍認為這類反應爐最為安全可靠。這是一種熱中子式核反應爐。中國大陸秦山核電站一期工程、大亞灣核電站台灣核三廠的反應爐為此型。
這些反應爐也以輕水作為冷卻劑和減速劑,但水壓較前一種稍低。正因如此,在這種反應爐內部,水是可以沸騰的,所以這種反應爐的熱效率較高,結構也更簡單,而且可能更安全。其缺點為,沸水會升高水壓,因此這些帶有放射性的水可能突然泄漏出來。這種反應爐也佔了現在運行的反應爐的一大部分。這是一種熱中子式核反應爐。台灣核一廠核二廠兩座發電廠的反應爐為此型。
這是由加拿大設計出來的一種反應爐,(也叫做CANDU),這種反應爐使用高壓重水來進行冷卻和減速。這種反應爐的核燃料不是裝在單一壓力艙中,而是裝在幾百個壓力管道中。這種反應爐使用天然為核燃料,是一種熱中子式核反應爐。這種反應爐可以在輸出功率開到最大時添加核燃料,因此能高效利用核燃料(因為可作精確控制),並節省濃縮鈾的成本;只是重水很貴。大部分壓重水式反應爐都位於加拿大,有一些出售到阿根廷中國印度(未加入防止核武器擴散條約)、巴基斯坦(未加入防止核武器擴散條約)、羅馬尼亞南韓。印度也在它的第一次核試爆後運行一些壓重水式核反應爐(一般被稱為「CANDU的變種」)。中國秦山核電站三期工程的反應爐為此型。
石墨輕水型核反應爐
這是一種蘇聯的設計,它在輸出電力的同時還產生。這種反應爐用水來冷卻並用石墨來減速。RBMK型與壓重水型在某些方面具有相同之處,即可以在運行中補充核燃料,並且使用的都是壓力管。但是與壓重水型不同的是,這種反應爐不穩定,並且體積太大,無法裝置在外罩安全殼的建築物里,這點很危險。RBMK型還有一些很重大的安全缺陷,儘管其中一些在車諾比核事故後被改正。一般認為RBMK型是最危險的核反應爐型號之一。車諾比核電站擁有四台RBMK型反應爐。
這種反應爐使用石墨作為減速劑,並用二氧化碳作為冷卻劑。其工作溫度較壓水式反應爐更高,因此熱效率也更高。一部分正在運行的反應爐屬於這一類,大部分位於英國。老式的核電站(也就是Magnox式)已經或即將關閉。但高級氣冷式核反應爐還會繼續運行10至20年。這是一種熱中子式核反應爐。關閉這種核電站的費用很高,因其反應爐核心很大。
這種反應爐使用液態金屬作為冷卻劑,而完全不用減速劑,並且在發電的同時生產出比消耗量更多的核燃料。這種反應爐在效率上很接近壓水式反應爐,而且工作壓力不需太高,因為液態金屬即使在極高溫下也不需加壓。法國超級鳳凰核電站和美國費米-I核電站用的都是這種反應爐。1995年,日本的「文殊」實驗反應爐發生液態泄漏,預計將會在2008年重新開始運行。這三個核電站都用了液態。這是一種快速中子式反應爐而不是熱中子式反應爐。液態金屬式反應爐分為兩種:
  • 液態鉛式反應爐
這種反應爐使用液態來作為冷卻劑,鉛不但是隔絕輻射的絕佳材料,還能承受很高的工作溫度。還有,鉛幾乎不吸收中子,所以在冷卻過程中損失的中子較少,冷卻劑也不會變成帶放射性。與不同的是,鉛是惰性元素,所以發生事故的機率也較小,但是,應用如此大量的就不得不考慮毒性問題,而且清理起來也很麻煩。這種反應爐經常用的是鉛鉍共熔合金。在這種情況下,會產生一些小的放射性問題,因為它會吸收少量中子,而且也比更容易變得帶放射性。
  • 液態鈉式反應爐
大部分液態金屬式反應爐都屬於這一種。鈉很容易獲得,而且還能防止腐蝕。但是,鈉遇水即劇烈爆炸,所以使用時一定要小心。雖然這樣,處理鈉爆炸並不比處理壓水式核反應爐中超高溫輕水的泄漏麻煩到哪裡去。
通過被動的衰變來獲取熱量。一些放射性同位素溫差發電機被用來驅動太空探測器(比如卡西尼-惠更斯號),蘇聯的一些偏遠地區燈塔,和某些心臟起搏器。這種發電機產生的熱會隨著時間逐漸減少,其熱能通過熱電效應轉換成電能。

工作原理[編輯]

一般核電站的關鍵部分是:

一般的熱電廠都有燃料供應來產生熱,比如說天然氣石油。對於核電廠來說,它需要的熱來自於核反應爐中的核裂變。當一個相當大的可裂變原子核(一般為鈾-235鈽-239)被一個中子轟擊時,它便分裂為兩個或更多個部分,同時釋放出能量和中子,這個過程就叫做核裂變。原子核釋放出的中子會繼續轟擊其它原子核。當這個鏈式反應被控制的時候,它釋放出的能量便可用來燒水,產生出的水蒸氣會驅動渦輪機,從而產生電能。需要記住的是,核爆炸中發生的是「不受控制的」鏈式反應,而核反應爐中的裂變速度無法達到核爆炸所需要的速度,這是因為商業用核燃料的濃度還不夠高。(參看濃縮鈾

鏈式反應被一些能夠吸收或減慢中子的材料控制著。在以為核燃料的反應爐當中,中子需要被減慢速度,因為當慢速中子轟擊鈾-235原子核時是更容易發生裂變的。輕水反應爐使用普通水來減慢中子並進行冷卻。當水的溫度升高到一定程度時,它便達到了工作溫度,此時它的密度會降低,因此沒被它吸收的少量中子會被減得足夠慢,然後去引發新的裂變。負反饋將裂變速度保持在一定水平。

試驗技術[編輯]

一些產生核能的其他設計,比如說德國第IV號反應爐,是一些正在進行的研究項目的對象。它們在將來可能會投入實際應用。一些改進後的核反應爐使反應爐變得更乾淨、更安全、降低散布核武器的風險。

超臨界水冷式反應爐將比氣冷式反應爐更高的效率與壓水式反應爐的安全性結合在一起,它在技術上遇到的挑戰可能比二者都大。在這種反應爐中,水會被加熱到臨界點。超臨界水冷式反應爐與沸水式反應爐相似,但是超臨界水冷式反應爐中的水不會沸騰,因此它的熱效率也就比沸水式反應爐高。這是一種超熱中子反應爐。
1980年代科學家建造,測試並評估一個整合式快中子反應爐,後在1990年代由於柯林頓政府的要求而被棄置,這是因為柯林頓政府的政策是防止核武器擴散。這種反應爐會將用過的核燃料回收,因此它只產生一點核廢料。本段結尾的連結是對於愛達荷州阿貢國家實驗室的前總管Charles Till博士的採訪,他介紹整合式快中子反應爐並解釋它在安全性,效率,核廢料和其它幾個方面上的的優點。[16]
  • 球床反應爐—這種反應爐使用陶瓷球來包裝住核燃料,所以它比較安全。絕大多數的這種反應爐使用作為冷卻氣體,氦不會爆炸,不會很容易地吸收中子而變得有放射性,也不會溶解能變得有放射性的物質。典型的設計擁有比輕水式反應爐的安全殼層數(一般為3層)更多層的安全殼(一般為7層)。一個它獨有的特點是,它的燃料球實際上組成反應爐的核心,而且可以一個一個地更換,因此這種反應爐更安全。但是這種設計使成本提高。
  • SSTAR小型(Small)密封(Sealed)可運輸式(Transportable)自主(Autonomous)反應爐(Reactor)在美國是首要研究項目之一,它是一種相當安全的增殖反應爐。
  • 次臨界反應爐的設計更安全,但是在建造技術和經濟上還有一定困難。
  • 反應爐
在特殊的反應爐中,釷-232可以轉變為鈾-233。在這種情況下,比的儲量更豐富的就可以用來製造鈾-233。鈾-233相對於鈾-235來說有一些優點,它產生的中子更多,並且產生更少的長半衰期超鈾元素核廢料。

受人為控制的核聚變在理論上也可以提供核能,並且操縱過程也不像錒系元素那麼麻煩,但是在技術上還有許多難題等待解決。科學家已經建造幾個核聚變反應爐,但是到目前為止,還沒有一個反應爐輸出的能量比輸入的能量多。儘管科學家從1950年代就開始研究可控核聚變,但是一般認為2050年以前不會有商業性的核聚變反應爐投入應用。現在領導著可控核聚變研究的是ITER

核燃料的循環[編輯]

核燃料循環的開採,提純至被製成核燃料開始,(1)核燃料被送到核電站。在被使用完後,剩餘的燃料被送到再處理工廠(2)或直接送到填埋場(3)。在再處理過程中,95%的剩餘核燃料能夠再被核電站利用。(4)
核燃料—一種緊密,不活潑,不能溶解的固體

核反應爐只是核燃料循環中的一部分。整個循環從核燃料的開採開始。一般來說,鈾礦不是露天開採的條帶礦,就是原地開採的過濾型礦。在任意一種情況下,鈾礦石都會被提取出來,並被轉為穩定且緊密的形式(例如黃鈾餅),然後被送到處理工廠。在這裡,黃鈾餅會被轉化為六氟化鈾,之後會被提純。在這時,包含了0.7%以上鈾-235的提純鈾會被加工成各種形狀大小的燃料棒。被送到核電站後,這些燃料棒會在反應爐中待上大約3年,在這3年中,它們會消耗自身包含的鈾的3%,在這之後,它們會被送到乏燃料水池,在這裡,核裂變中產生的一些半衰期短的同位素會衰變掉。在這裡呆上大約5年後,這些核燃料的放射性會降低到安全範圍之內,之後就會被裝進乾的儲藏容器永久儲藏,或被送到再處理工廠進行再處理。

核燃料的來源[編輯]

是一種常見的化學元素,陸地上和海洋中的每個地方都存在著鈾。它就跟一樣常見,儲量比高500倍。大部分種類的岩石和土壤都包含著鈾,儘管濃度極低。現在,比較經濟的鈾儲藏地的鈾濃度至少為0.1%。以現在的花費速度來算,地球上可被提取的鈾還可用50年。在這種情況下,將鈾的價格提高一倍會將核電站的運行成本提高5%。但是,如果將天然氣的價格提高一倍,那麼天然氣的供應成本會提高60%。將煤的價格提高一倍會將煤的供應成本提高30%。

鈾的提純會產生出許多噸貧鈾(DU),它包含了鈾-238和大多數鈾-235。鈾-238有幾種商業上的應用,比如說飛機製造,輻射防護,製造子彈和裝甲,因為它具有比更高的的密度。一些證據顯示過度接觸鈾-238的人會得疾病,這些人包括坦克乘員和在有大量貧鈾存在的地區居住的居民。

現在的輕水反應爐遠遠沒有能充分利用核燃料,這造成了浪費。更有效的反應爐或再處理技術將會減少核廢料的數量,並且能更好地利用資源。[17]

與現在使用鈾-235(占天然鈾的0.7%)的輕水反應爐不同的是,快速增殖反應爐使用的是鈾-238(占天然鈾的99.3%)。鈾-238估計可供核電站使用50億年。[18]增殖技術已經被應用在了幾個反應爐中。[19]至2005年12月,唯一正在向外界提供能量的增殖反應爐是位於俄羅斯別洛雅爾斯克(Beloyarsk)的BN-600。(BN-600的輸出功率為600兆瓦,俄羅斯還計劃在別洛雅爾斯克核電站建造另一個反應爐,BN-800)還有,日本的「文殊」反應爐也在準備重新起用(它從1995年起就被關閉了),中國和印度也在計劃建造增殖反應爐。

轉化而得的鈾-233也可以用做核裂變燃料。地球上釷的儲量為鈾的儲量的三倍,而且理論上所有這些釷都可被用來進行增殖,這使的潛在市場大於鈾的市場。[20]與用鈾-238來製造不同的是,用釷來製造鈾-233不需要快速增殖反應爐,它在常規增殖反應爐中的表現已經很令人滿意了。

計劃中的核聚變反應爐使用的核燃料是,一種同位素,現在的設計也會用到。以現在人類消耗能量的速度來看,地球上可開採的鋰還可以用3000年,海洋中的鋰可用6000萬年,如果核聚變反應爐只消耗的話,它們可以工作1500億年。[21]相比之下,太陽只剩下了50億年的壽命。 而地球的碳水化合物生物壽命,只剩下不到20億年了。[來源請求]

固體廢料[編輯]

相較於其他種類的發電廠(如燃煤發電廠),核能發電廠產生的廢料相當少。一台大型核反應爐每年僅會產生3立方米的核廢料。[22]這些核廢料中主要包含沒有發生裂變的鈾和大量錒系元素中的超鈾元素(大部分是)。3%的核廢料是裂變產物。核廢料中的長半衰期成分為錒系元素(),短半衰期成分為裂變產物。

用過核燃料具有強放射性,需要特別小心地處理。核廢料的放射性會隨著時間減少。40年後,它的放射性與剛從反應爐出來時相比,已經減少了99.9%。[17]

核廢料的儲藏和處理是一個巨大的挑戰。由於核廢料具有放射性,它必須存放在具有輻射防護的水池中(乏燃料池),在這之後它一般會被送到乾燥的地窖或防輻射的乾燥容器中進行儲藏,直到它的輻射量降低到可以進行進一步處理的程度。由於核燃料種類的不同,這個過程通常要持續幾年到幾十年的時間。美國大多數的核廢料現在都在短期的儲藏地點,人們正在討論建造永久儲藏地點。美國尤卡山(Yucca Mountain)的地下儲藏室被提議成為永久的儲藏地點。

核廢料的數量可以通過幾種方法來減少,其中核燃料再處理效果最為顯著。即使這樣,剩餘的核廢料如果不包含錒系元素,還會持續300年保持強放射性,如果包含錒系元素,則會持續幾千年保持強放射性。即使將核廢料中的錒系元素全部除去,並使用快速增殖反應爐通過嬗變將一些半衰期長的非錒系元素也除去,核廢料還是要在一百至幾百年內與外界隔絕,所以這是個長期的問題。次臨界反應爐核聚變反應爐也可以減少核廢料需要被儲藏的時間。[23]由於科技在飛速地發展,處理核廢料的最好方法是否為地下填埋已經出現了爭議。現在的核廢料在將來可能就是一種有用的資源。

核工業上使用的受污染的工作服、工具、淨水樹脂和一些正要關閉的核電站本身也都在產生一些低放射性的廢料。在美國,美國核管理委員會已經幾次嘗試著允許低放射性廢料被當作普通廢物一樣處理,比如進行填埋,回收等等。許多低放射性廢料的輻射量非常小,它們只因為自己的使用歷史而被當作了放射性廢物。舉例來說,根據美國核管理委員會的標準,咖啡也可以被視作低放射性廢料。

在應用了核能的國家中,整個工業產生的有毒廢料中只有不到1%是放射性廢料,但是它們是極其有害的,除非經過衰變後,它們的輻射量變得更低,或者更理想的是,輻射完全消失。[17]總體來說,核能工業產生的廢料比化石燃料工業產生的廢料要少很多。燃燒的工廠產生的有毒和放射性的廢料尤其多,因為煤中的有害的和放射性的物質在這裡被集中起來了。

再處理[編輯]

再處理可以回收用過的核燃料中95%的,並將它們轉化為新的混合氧化物燃料。這也同時減少了核廢料的長期放射性,因為經過再處理後,剩餘核廢料中主要就是半衰期短的裂變產物,並且它的體積也減少了90%。民用核燃料產生的廢料的回收已經在英國法國和(以前)俄羅斯大規模應用,中國也即將應用這項技術,印度也可能應用,日本應用此項技術的規模也在擴展中。伊朗已經宣布成功進行了核廢料的再處理,這就完善了它的核燃料循環,但是同時也招致了美國和國際原子能機構的批評。[24]與其它國家不同的是,美國在一段時間前是禁止核廢料再處理的;儘管這個政策已經被廢除,但是現在美國大部分使用後的核燃料都仍然在被當作廢料處理。[25]

經濟[編輯]

核電站的建造通常需要大量資金,但是它的運行和維護成本卻相當低(包括了核廢料再處理或進行填埋的全部費用)。

核能的反對者認為,建造並運行核電站的費用加上核廢料再處理和關閉核電站的費用已經超出了在環境上獲得的利益。而核能的支持者說,核能是唯一一種將廢料處理的費用考慮到運行成本中的能源,化石燃料的價格相當低是因為化石燃料工業從不考慮廢料處理的問題。

英國皇家工程院在2004年發表了一份關於英國核電站運營成本的報告。這份報告尤其關注的是間歇性能源與更可靠的能源之間成本的比較。報告說明,風能的價格為核能價格的兩倍。在碳價包含稅的前提下,使用煤,核能和天然氣發的電,價格為0.022-0.026英鎊/千瓦時,使用氣化煤的價格為0.032英鎊/千瓦時。當碳稅增加(最多為0.025英鎊)時,煤發電的價格就接近了向陸風發電(包含備用能源)的價格,為0.054英鎊/千瓦時,向海風發電的價格為0.072英鎊/千瓦時。

核電的價格為0.023英鎊/千瓦時。這個數字包括了核燃料再處理的費用。[26][27][28]

建造所需資金[編輯]

總體上來說,建造一座核電站的費用要比建造向外輸出同樣多功率的以煤或天然氣為燃料的發電廠的費用高很多。煤的價格遠遠高於核燃料的價格,而天然氣又遠比煤貴,所以說,如果不考慮建造費用的話,燒天然氣來發電是最貴的。但是,在建造核電站上投入資金的多少直接決定了核電站輸出電能的多少。建造核電站需要的資金佔了總運營成本的70%(假設折現率為10%)。[29]

現在許多國家中的電力市場自由化使核能變得不如從前有吸引力了。在此之前,一個壟斷性質的供電商可以保證供電直到幾十年以後的將來。私人供電公司面臨的是短期的合同和潛在的競爭,所以它們喜歡低建造成本的發電廠,這樣就可以在短期內收回成本。[30]

在許多國家中,建造核電站所需的執照,監管和認證經常會拖延核電站的竣工時間並增加建造成本。三哩島核泄漏事故後,美國政府頒布了一系列關於核電站的新標準。以煤和天然氣作燃料的發電廠不受這些標準限制,因為它們在建造時沒有利潤。但是,選址,獲得執照和建造這三步適用於所有將要建造的發電廠,這些步驟使得更新而更安全的設計對能源公司來說更有吸引力。

在日本和法國,建造核電站所需的獲得執照和認證的程序很簡潔,這也就使建造費用和時間大大地縮短了。在法國,政府使用一種與認證新型飛機相似的程序來認證一種核反應爐。這就是說,法國政府不去認證單個的反應爐,而是直接認可一大類反應爐,這就減少了新核電站的認證時間。美國法律也允許這種一次認證一類的做法,並且這種做法很快就要被應用。[31]

為了鼓勵核能的發展,美國能源部(DOE)開展了核能2010年計劃,在這個計劃中,能源部會鼓勵一些感興趣的團體去採用法國式的認證程序,並且還會給予因認證拖延了時間而增加了建造成本的六家新核電站25%至50%的建造成本作為補貼。

補貼[編輯]

核能的批評者認為,在核能的支持者計算核能的費用時,他們經常忽略了政府給予核能工業的大量補助,這些補助被用於幫助核能工業的研究。但是,其它能源工業也收到了補助。化石燃料工業交的稅更少,並且不用為它們排放的溫室氣體支付賠償金。在許多國家中,可再生能源也在生產的過程中收到了補貼,並且在稅務方面還受到了特殊照顧。[32]

核能的研究與發展(R&D)收到的補助要遠遠大於可再生能源和化石燃料R&D收到的補助多。但是,現在大部分這種現象都發生在日本法國,在其它國家,可再生能源收到的補助最多。在美國,每年用於核裂變研究的資金已從1980年的21.79億美元減少到了2000年的3500萬美元。[32]但是,為了重組整個核能工業,接下來建造的六個美國核反應爐將會收到與可再生能源同樣多的補助,並且它們還會收到由於等待認證而損失的錢的一部分作為補償。(參看核能2010年計劃

根據美國能源部的說法,美國境內的核事故保險收到了普萊斯-安德森核工業補償法的補助。[7]2005年7月,美國國會又將這台法律進行了擴展。在英國,1965年頒布的核設施建造法規定,核反應爐的事故由此反應爐的執照擁有者負責任。關於核損害民事責任的維也納公約確定了國際間關於核事故責任的處理方法。

其它[編輯]

核電站在無其它能源可用的地區最有競爭力,最為顯著的例子就是法國,它幾乎沒有化石燃料儲量。[33]加拿大安大略省已經將它的水利資源運用到了極限,並且也幾乎沒有化石燃料儲藏,所以在那裡也有一些核電站。印度也在建造新的核電站。相反地,英國貿易與工業部不允許在英國建造新的核電站,因為與化石燃料相比,核能的單位成本太高。但是,英國政府的首席科學顧問戴維·金說英國有必要再建造一個核電站。中國計劃建的核電站是最多的,因為它的經濟在飛速發展,並且國內也有許多能源計劃。[34]

大多數新型的的天然氣發電廠都被用作用電高峰時期的備用發電廠。比天然氣發電廠規模大的核電廠和煤電廠無法快速改變輸出功率,這些電廠的角色只是在平常時期供電。因為平常時期的用電漲幅不像高峰時期那麼大。一些新型反應爐,尤其是球床反應爐,是專為高峰時期用電而設計的。

在世界上任何一個地方建造核電站,無論這個核電站是舊式還是新式,都會遇到被當地居民反對的問題。經過三哩島車諾比這兩個事故後,只有很少數的城市會歡迎一個新的核反應爐,核處理工廠,核燃料運輸路線或試驗性核設施。許多城市都頒布了法規,禁止建造任何核設施。但是,美國境內一些已有核設施的地方卻在爭搶著要更多核設施。核能的反對者會以車諾比的事故為理由反對美國政府建造新的核反應爐,但此缺乏說服力,因為美國60年前的核反應爐都比車諾比的反應爐安全;當被問到是否能在自己家後院建造一個車諾比式的反應爐時,大多數的人都會像預料中一樣反對。但是三哩島事故卻顯示核電廠的真正成成本不低,但在化石燃料漲價後仍有競爭力、可以做為再生能源普及前的替代品。而福島第一核電廠事故則比過去任何事故都重創核能安全的信譽,此事件又大幅墊高核電廠的安全成本,令人擔心核電廠無法與再生能源競爭[35]

當使用了核燃料循環分析時,現在的核反應爐輸出的能量會為輸入能量的40-60倍。這比煤,天然氣和除水力之外的可再生能源都要好。[36]

生物燃料可以代替一大部分化石燃料。效率,隔絕,太陽熱能和太陽電能方面的技術可以在天然氣產量達到頂峰後滿足大部分的天然氣需求。大部分運輸專家都正確地將生物燃料比作「天上的餡餅」,意為可望而不可及,因為即使按現在的需要量來算,世界上大部分的田地都會被用來「種」燃料。

核能的支持者說可再生能源還沒有能解決間歇性用電,高運行成本和大面積輸電這幾個問題。舉例來說,一項英國的研究顯示當風能提供了人類所需能源的20%,並且在無風時由水或電/燃料驅動風車的成本也很低時,也僅能減輕煤電廠或核電廠6.7%的負擔(從59GW到55GW),因為它們要在電力短缺時作備用電廠。核能的支持者說現在的技術還無法保證能讓間歇性能源被大量應用。[37]一些可再生能源,比如說太陽能,在用電高峰時正好很充足,這就減少了負擔。未來電能的用途(比如加壓水,海水淡化、制氫及車輛充電)也會減少核能和可再生能源在用電高峰時的負擔。[38]

相關風險[編輯]

事故或襲擊[編輯]

這是立陶宛伊格那裡那核電站,它有兩座RBMK型反應爐。在立陶宛加入歐盟時,這座核電廠由於安全原因將會被關閉。2004年已經關閉了兩座反應爐,另外兩座已經在2009年被關閉。

核能的反對者認為,核反應爐的一個主要缺點就是它面臨著核事故恐怖分子襲擊的威脅,這樣的話大量平民都會受到輻射線的照射。

核能的支持者認為,在一個設計得很好的反應爐中,核泄漏的風險是非常小的,因為它的安全系統經過了精心的設計,並且核工業將核事故看得很嚴重,對它的關心程度遠比煤電廠和水電廠高。[39]在大面積的範圍內造成了災難的車諾比核電站,實際上是結合了很危險的RBMK反應爐,缺乏安全殼的建築物,不精心的保養和缺失安全的規章的一種產物。與西方使用的幾乎所有核反應爐不同的是,RBMK型反應爐有一個危險的正空泡係數en:void coefficient),這意味著一個零部件的失靈就會使反應爐產生越來越多的熱和射線,直到反應爐破裂為止。即使是在三哩島核泄漏事故這個蘇聯之外最嚴重的民用核設施的事故中,壓力容器和安全殼建築物也沒有破裂,只是核反應爐的核心熔毀,向自然界釋放出了非常少量的射線(比生物圈放出的射線都要少)。[40]

福島第一核電廠事故則是反核的最佳例子,在重大災難時,核燃料與核廢料可能失去冷卻系統,若無法及時冷卻,高溫高壓會摧毀圍阻體,但搶救需要仰賴死士、非常不道德;而增加核電廠安全上的花費或等待機器人技術成熟是避免這些問題的方法,但發展再生能源可能比較廉價及低風險。

科學家們正在嘗試著改變核反應爐的設計,他們希望能通過這樣來減少核裂變反應爐出事故的風險;自動化和被動安全式的反應爐也正在研究中。未來可能出現的核聚變反應爐在理論上出事的風險是非常小的,因為反應爐中的核燃料只夠反應約一分鐘時間,但是核裂變反應爐中儲藏的是夠用一年的核燃料。次臨界反應爐中從來不儲藏任何核燃料。

核能的反對者說他們擔心核廢料得不到足夠的防護,在恐怖分子襲擊時,這些核廢料可能會泄漏出來。他們引用了1999年發生在俄羅斯的一件事:幾名工人在販賣5克放射性物質時被抓獲,[41]他們還引用了1993年同樣發生在俄羅斯的一件事:警方抓獲了正在販賣4.5克濃縮鈾的工人。[42][43][44]從那以後,聯合國就開始努力讓世界各大國改善核設施的安全防護,從而阻止放射性物質落入恐怖分子之手。[45]有時為了保護運輸核材料的貨船會出動幾千名警察。[46]其它能源的有關設施,比如說水電廠和天然氣運輸船,更容易受到事故和襲擊的威脅。但是,核能的支持者說核廢料已經得到了很好的防護,並且他們還說在全世界範圍內沒有一起民用核設施的事故與核廢料有關。他們還指出,美國核管理委員會和其它一些機構對核反應爐和核廢料儲藏設施強度的大量測試表明,它們可以承受與911襲擊事件規模大致相等的恐怖襲擊。[39]用完的核燃料通常位於核電站的「保護區」[47]用後核燃料的海運容器;偷取它來製作炸彈是極難的。用後的核燃料釋放出的射線足以快速地將任何接近它的恐怖分子殺死。[48]

根據美國核能管理委員會的研究,美國境內已經有20個州要求居住在核反應爐周圍10英里內的居民在家中儲藏碘化鉀,這在嚴重的核事故發生時(雖然可能性非常小)是非常有用的。[49]

對人類健康的影響[編輯]

人類接觸到的大多數輻射都屬於自然界的背景輻射。背景輻射之外的那一部分,絕大多數都與醫療有關。一些覆蓋了美國加拿大歐洲的大規模研究沒有發現任何錶明居住在核反應爐周圍的居民癌症死亡率升高了的證據。舉例來說,1990年,美國國立衛生研究院中的美國國家癌症研究所(NCI)宣稱,在對16種癌症的死亡率進行了一項大規模研究後,他們認為居住在美國62座核電站周圍的居民癌症死亡率並不比其它地方高。這項研究同時發現,在新建了一座核電站後,當地兒童的白血病死亡率也沒有增長。這項研究是美國國家癌症研究所進行的規模最大的對癌症的研究,它一共在核電站周圍的居民中調查了900000個因癌症而死的人。

除了車諾比核事故的直接影響外,在烏克蘭白俄羅斯的一些地方,土壤也含有放射性。因此在車諾比核電站周圍有規劃疏散區防止民眾進入。

在2006年3月,安全檢查發現,美國境內的一些核電站一直有受了污染的水泄漏到土壤里。[50](被核電站排放出來的水會通過廢水管道流進河裡,這時的廢水已經達到了排放標準。但是,通過向土壤中排放,只有很少量的進入了飲用水供應系統。)伊利諾州的司法部長說,她要以六處這樣的泄漏為名控告Exelon公司,她要公司向周邊居民提供乾淨的自來水,儘管公司外的每個水井中的水都沒有超標。[51]在進行了調查後,美國核管理委員會聲稱「這次檢查確認了公眾的健康和安全沒有受到有害影響,並且公眾接觸的照射劑量與美國核管理委員會的標準相比是非常低的。」但是,美國核管理委員會主席說:「他們需要修復它。」

核武器擴散[編輯]

世界各國核電狀態
深藍:有核電且在增建
淺藍:有核電且計畫增建
深綠:沒有核電但在增建
淺綠:沒有核電但計畫增建
黃:有核電但不增建
紅:有核電但在裁減
黑:核能發電被法律明文禁止
灰:沒有核電也不打算有
棒式反應爐內部

核能的反對者指出,核技術經常是軍民兩用性質的,民用核計劃中用到的材料和技術都可以用於發展核武器。能夠防止核擴散是核反應爐的主要設計指標之一。

在大多數國家中,軍用和民用的核技術經常與該國的核能力一起被提及。比如說,在美國,能源部的首要目標是「增強美國的公民,經濟和能源的安全性;為了達到此目標,還要鼓勵科學上和技術上的創新;並且消除公民對於核武器的恐懼。」[52]

大部分核反應爐中的濃縮鈾的濃度對於製造核彈來說太低。大多數核反應爐使用的是濃度為4%的濃縮鈾;原子彈小男孩用的是80%的濃縮鈾;雖然低濃度的濃縮鈾也可以用來製造原子彈,但是濃度的下降會使炸彈的最小尺寸變得出奇的大,這是很不切實際的。但是,用來為發電製造濃縮鈾的工廠和技術也可以製造核彈所需的高純度濃縮鈾。[53]

另外,核反應爐在工作時製造出的,如果在再處理時進行濃縮的話,也是可以用來製造核彈的。雖然在一般核反應爐的核燃料循環中製造出來的鈽中,鈽-240的低濃度使它沒有成為製造武器的理想材料,但是還是可以由它製造出有用的武器。[54]如果一個核反應爐所在的核燃料循環非常短,那麼具有武器級濃度的鈽就可以被製造出來。但是,在許多反應爐中進行這種活動是很難掩人耳目的,因為用民用核反應爐來製造核武器需要經常關閉核反應爐來添加核燃料,而這在衛星圖片上是清晰可見的。

大部分人都相信印度巴基斯坦在它們的核能計劃中使用了CANDU核反應爐來為核武器製造可裂變材料,但是,這不是完全正確的。加拿大(提供了40MW的試驗型核反應爐)和美國(提供了21噸重水)都向印度提供了開展核武器計劃所需要的技術。由於並沒有規定一國該怎樣使用從他國得到的核技術,因此印度可以用這些技術來製造核武器。[55]巴基斯坦被相信在一個自主的濃縮計劃中為它的核武器製造出了裂變材料。[56]

為了預防核武器的擴散,國際原子能機構在1968年通過並實施了防止核武器擴散條約(NPT),條約規定簽約國對於核技術必須採取保護措施。簽約國被要求向國際原子能機構報告它們擁有的核材料的種類和位置。簽約國還同意,為了能進入國際核市場,它們允許國際原子能機構派出調查員和監督員來確認它們關於核材料的報告,並且對它們的核材料進行檢查。

有些國家以前沒有簽署這項條約,並且有能力使用國際間援助的核技術(經常為民用)來發展核武器(印度巴基斯坦以色列南非)。南非後來也成為了防止核武器擴散條約的簽約國,現在它是世界上唯一已知發展了核武器並被證實將其銷毀了的國家。[57]在那些簽署了這項條約並通過海運收到了一些零星的核材料的國家中,許多國家已經宣稱或已被指責嘗試著使用應為民用的核電站來發展武器,比如說伊朗朝鮮。有些種類的核反應爐比其它種類更容易被用來製造核武器,而且國際上的一些關於核武器擴散的爭論已經聚焦到了具有發展核武器的野心的國家中某些具體的反應爐型號上。

一些新的技術,比如說SSTAR,可能通過密封的核反應爐,有限的獨立式核燃料供應和對於人為干涉的管制來降低核武器擴散的風險。

在擴展核能的用途時,一個可能的障礙是鈾礦石的儲量限度,這在建造和運行增殖核反應爐時是必需的。但是,以現在的消耗速度來算,地球上還有足夠的鈾—「總的說來,能供我們開採的鈾儲量還能用幾百(最高1000)年,即使使用標準的反應爐。」[58]卡特總統的領導班子對核燃料再處理下了禁令之後,美國境內的增殖反應爐全部被關閉了,對核燃料再處理下禁令是因為在再處理的過程中,武器級核材料擴散的風險是無法為人所接受的。

一些核能的支持者對於核武器擴散的風險可能是國際間預防「不民主」的發展中國家獲得任何核技術的原因之一表示同意,但是他們說「民主」的已開發國家沒有任何理由關閉位於它們境內的核電站,尤其因為「民主國家」之間「不會挑起戰爭」。

核能的支持者還說,核能與其它一些能源相似,能持續以同樣的價格持續地供電,還不會讓國與國之間爭搶能源,而國際間對於能源的爭搶可能會導致戰爭。

2006年2月,美國宣布了它的一項新措施,即全球核能源合作計劃。在這項計劃中,國際間會合作使用一種能夠防止核擴散的核燃料再處理方法,同時也使發展中國家能夠發展核能計劃。

環境影響[編輯]

空氣污染[編輯]

無放射性的水蒸氣是核電站在運行時釋放出來的主要排泄物。[59]核裂變會產生一些氣體,比如說碘-131氙-133。這些氣體主要會被封在燃料棒中,但是在假定的事故中,會有少量氣體被釋放到冷卻劑中。化學物品控制系統會將放射性氣體隔離,這些氣體需要被存放很長時間(半衰期的幾倍),直到它們變的安全。碘-131和氙-133的半衰期分別為8.0天和5.2天,因此它們需要被儲藏好幾個月的時間。

核能發電不直接產生二氧化硫氮氧化物或其它與化石燃料的燃燒有關的污染物。(僅在美國,每年就有許多人因為燃燒化石燃料產生的污染物而死去[60])。它也不直接產生二氧化碳,這使一些環境保護者通過支持對核能的依靠來減少溫室氣體的排泄(溫室氣體造成了全球暖化)。

為了生產核燃料,礦石需要被採集並被處理。這個過程不是直接使用柴油或汽油機,就是使用電網提供的電,而這些電可能是通過燃燒化石燃料產生的。核燃料循環分析評價這個過程消耗的能量(以今天的混合能源來算)並進行計算,它要計算的是在核電站的整個壽命中,減少的二氧化碳排放量(與核電站供電多少有關)與排放出的二氧化碳數量(與核電站的建造和核燃料的獲得有關)之比。

一些循環分析表明,核電站每發一千瓦時的電與風能每發一千瓦時的電,排放量相似。2001-2005年的一個循環分析發現,根據核燃料中鈾濃度的不同,核電站每發一千瓦時的電排放的二氧化碳的量為天然氣發電廠每發一千瓦時的電排放的二氧化碳的量的20%到120%。[61]2003年,世界核材料協會對這個循環分析進行了批評,並且在2006年進行了一個自己的循環分析,推翻了它的結論。[36]

2006年,英國政府可持續發展委員會總結說,如果英國的核電能力再增加一倍,那麼到了2035年,英國全國的二氧化碳排放量將會減少8%。英國的目標是在2050年時將溫室氣體的排放量減少60%。與2006年一樣的是,英國政府在今年晚些時候公布自己的研究結果。[62][63]

廢熱[編輯]

核反應爐需要冷卻,典型的是用水來冷卻(有時不是直接的)。使用水來將能量從一個熱源帶走,需要一個冷源,這個過程叫做蘭金循環(Rankine cycle)。能通過蘭金循環來轉化為能量的熱是有限度的。多餘的熱量需要當作廢熱來排放掉,這時就需要冷卻水了。河流是最常用的冷卻水來源,也是廢熱的排放地點。廢水的溫度必須受到限制,否則會將河中的魚殺死;生物圈中比一般水溫度高的熱水是一個潛在的長期隱患。在大多數新的核電站中,這個問題被冷卻塔解決了。廢水對於所有的傳統供電廠,包括煤,石油和天然氣供電廠都是一個問題,因為它們都靠著蘭金循環來產生能量。這四種供電廠只是在熱源上有所不同。

對於限制廢氣溫度的需求也會限制住發電能力。在極熱的天氣中,用電量是最高的,但是這時核電站的發電量卻可能會下降,因為核電站中冷卻水的溫度會變得更高,這樣它的冷卻效率就會降低。在改進核電站的設計時,工程師們會考慮到這點,因為冷卻能力的增加會讓建造資金也增加。

原子能機構團體名單[編輯]

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參考資料[編輯]

參見[編輯]