■文 /郭久亦（美國(guó)） 翻譯 /于冰

觀點(diǎn)

世界核能概述

Overview of world nuclear energy

■文 /郭久亦（美國(guó)） 翻譯 /于冰

眾所周知世界渴求能源。因此，不管是核能、太陽能、風(fēng)能還是天然氣等任何新的發(fā)展都是受歡迎的，并且正在取得重大進(jìn)展。為了應(yīng)對(duì)氣候變化，除了天然氣之外，上述能源不排放二氧化碳，世界應(yīng)該朝著這個(gè)方向發(fā)展。核能具有雙面性。它可以和平地用于發(fā)電，但同時(shí)也可以用于制造軍事武器。本文將簡(jiǎn)要描述這兩個(gè)方面的應(yīng)用。

核反應(yīng)堆發(fā)電

建造核反應(yīng)堆的缺點(diǎn)是其成本和通過許可證所需的時(shí)間框架。但反應(yīng)堆一旦建成，其發(fā)電供電網(wǎng)的成本低，而且它不像煤一樣產(chǎn)生二氧化碳。核反應(yīng)堆也是靈活的，不像太陽能或風(fēng)能一樣依賴天氣，也不需要太多的空間。產(chǎn)生的多余熱量也可以與產(chǎn)水的脫鹽設(shè)備進(jìn)行聯(lián)產(chǎn)。

美國(guó)能源信息管理局（US Energy Information Administration，EIA）估算 2014 年核電平準(zhǔn)化成本為 95 美元 /MW·h，太陽能發(fā)電平準(zhǔn)化成本為125 美元 /MW·h，而天然氣發(fā)電平準(zhǔn)化成本更低為 75 美元 /MW·h。

過去十年中，全世界有新反應(yīng)堆的計(jì)劃（2017年2月更新）有4個(gè)方面：

·世界核電能力正在穩(wěn)步增加，15個(gè)國(guó)家正在建造60多座反應(yīng)堆。大多數(shù)反應(yīng)堆在亞洲地區(qū)和俄羅斯。目前，31 個(gè)國(guó)家有約 440 座核電站運(yùn)行，總 容 量 超 過 385GWe（Giga Watt of electricity, 1GW=1000MW）。2014 年，核電產(chǎn)生了 24110 億kWh 電力，超過世界總電力的 11%。《世界能源展望 2014》特別關(guān)注核電，并將情景的范圍擴(kuò)大到2040 年。在新的政策情景中，核電裝機(jī)容量 2030年增長(zhǎng) 60% 達(dá)到 543GWe，2040 年達(dá)到 624GWe（總額為 10700 GWe）；增加主要集中在中國(guó) 46%，印度、韓國(guó)和俄羅斯一共 30%，美國(guó) 16%；由于德國(guó)的默克爾反對(duì)核能，歐盟下降 10%。事實(shí)是 20 世紀(jì) 80 年代，218 座動(dòng)力堆啟動(dòng)，平均每 17 天啟動(dòng)一座，包括美國(guó) 47 座、法國(guó) 42 座和日本 18 座。這些動(dòng)力堆都相當(dāng)大，平均功率在 1000MWe 左右，即 1GWe。因此，不難想象未來也會(huì)有類似的數(shù)量。但是隨著中國(guó)和印度加速發(fā)展核電以及世界能源需求的增長(zhǎng)，對(duì)于未來可能（并不是現(xiàn)階段規(guī)劃）的現(xiàn)實(shí)估計(jì)是也許在全世界每5天將會(huì)有一座相當(dāng)于1000MWe 的核電裝置。

·訂購(gòu)或規(guī)劃的大多數(shù)反應(yīng)堆都在亞洲地區(qū)，盡管俄羅斯有新反應(yīng)堆的較大計(jì)劃。

·反應(yīng)堆升級(jí)產(chǎn)生了很重要的裝機(jī)容量增加。這節(jié)省了初始費(fèi)用，正在美國(guó)、日本和其他國(guó)家應(yīng)用。這是非常有成本效益的提高裝機(jī)容量的方式。

·反應(yīng)堆壽命延長(zhǎng)計(jì)劃正在維持裝機(jī)容量，特別是在美國(guó)。

2種新的第四代核電反應(yīng)堆正在研究或建設(shè)過程中。中美兩國(guó)政府正在積極為這兩種新反應(yīng)堆的研發(fā)提供資金，而這兩種新反應(yīng)堆有望成為我們的未來。

(1) 熔鹽堆（Molten Salt Reactors, MSR）和釷基熔鹽堆（Molten Salt Thorium Reactors, MSTR）

第四代核裂變反應(yīng)堆想要用于工業(yè)熱過程，其主要的核反應(yīng)堆冷卻劑或甚至燃料本身是熔鹽混合物。與水冷卻反應(yīng)堆相比，MSR可以在更高的溫度下運(yùn)行并獲得更高的熱效率，同時(shí)保持低蒸汽壓。MSR是第四代計(jì)劃中六類核反應(yīng)堆之一。

核燃料可以是固體燃料棒或溶解在冷卻劑中。在許多設(shè)計(jì)方案中，溶解在冷卻劑中的核燃料是四氟化鈾（Uranium tetrafluoride, UF4）。堆芯用石墨做慢化劑，液態(tài)熔鹽在其中達(dá)到臨界。一些固體燃料設(shè)計(jì)方案采用陶瓷燃料在石墨基質(zhì)中均勻分布，熔鹽則提供低壓、高溫的冷卻方式。這種熔鹽可以比壓縮的氦氣（第四代反應(yīng)堆設(shè)計(jì)方案中另一種潛在的冷卻劑）更有效地將熱量帶出堆芯，通過加熱水來驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。如此設(shè)計(jì)，使得反應(yīng)堆不會(huì)遭受切爾諾貝利（Chernobyl）和福島（Fukushima）發(fā)生的災(zāi)難性故障。因?yàn)樗枪逃邪踩?，設(shè)計(jì)方案使熔毀不太可能發(fā)生。當(dāng)反應(yīng)堆過熱時(shí)，燃料會(huì)膨脹和冷卻，并且熔融液體排入下面的罐中。

因此，反應(yīng)堆沒有必要擁有精細(xì)昂貴的安全殼、冗余的安全系統(tǒng)，安全殼和安全系統(tǒng)增加了常規(guī)反應(yīng)堆的尺寸和成本。由此降低了對(duì)泵送和管道的需求，并減小了堆芯的尺寸。當(dāng)用完鈾以及已經(jīng)全面測(cè)試過設(shè)計(jì)方案時(shí)，可以使用釷，它是一種成本低和儲(chǔ)量豐富的金屬。一旦研發(fā)完成，MSTR技術(shù)應(yīng)該可以在 2065 年之前大規(guī)模建設(shè)。

上 海 應(yīng) 用 物 理 研 究 所（Shanghai Institute of Applied Physics）正在積極開展 MSR 的研發(fā)，計(jì)劃在未來幾年內(nèi)建設(shè)一座實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆。其目標(biāo)是到2030 年啟動(dòng)工業(yè)規(guī)模的固體燃料電站，到 2035 年啟動(dòng)一座 100MW 的液體燃料示范反應(yīng)堆。

(2) 球床反應(yīng)堆 (Pebble-Bed Reactors, PBR)

球床反應(yīng)堆亦稱卵石床反應(yīng)堆。球床反應(yīng)堆（PBR）把燃料包裝在熱分解石墨組成的球狀容器內(nèi)，使用惰性氣體或接近惰性氣體作為冷卻劑。它是一種超高溫反應(yīng)堆（very-high-temperature reactor, VHTR），是第四代計(jì)劃中六類核反應(yīng)堆之一。球床反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是具有稱為卵石的球狀燃料。這些網(wǎng)球大小的卵石由熱分解石墨（用作慢化劑）制成，含有數(shù)千個(gè)稱為 TRISO 的微小燃料顆粒。這些 TRISO 燃料顆粒是用碳化硅陶瓷層（為了結(jié)構(gòu)完整性和裂變產(chǎn)物沾污物）包圍裂變材料（如鈾 235，235U）。在 PBR 中，數(shù)千個(gè)卵石構(gòu)成反應(yīng)堆堆芯，并且通過不與燃料成分起化學(xué)反應(yīng)的氣體例如氦氣、氮?dú)饣蚨趸紒砝鋮s。

這種反應(yīng)堆聲稱是被動(dòng)安全的，也就是說它不再需要冗余主動(dòng)的安全系統(tǒng)。因?yàn)榉磻?yīng)堆被設(shè)計(jì)成能應(yīng)對(duì)高溫，所以它可以通過自然循環(huán)冷卻，并且在事故情況下（可以將反應(yīng)堆的溫度升高到1600℃）仍然幸免于難。由于其設(shè)計(jì)特點(diǎn)，反應(yīng)堆溫度高可以得到比傳統(tǒng)核電站（熱效率高達(dá) 50%）更高的熱效率，同時(shí)氣體不像水那樣溶解污染物或吸收中子，從而堆芯放射性液體少。

圖1 美國(guó)和蘇聯(lián)/俄羅斯的彈頭數(shù)量

中國(guó)正在建造一座約 250MWe 的球床反應(yīng)堆。

總的來說，MSR、MSTR 和 PBR 都是本質(zhì)上安全的，可以省去現(xiàn)在反應(yīng)堆中的許多安全裝置。這意味著我們能以低得多的成本建造小型反應(yīng)堆。真是兩大優(yōu)勢(shì)！它們肯定是未來的反應(yīng)堆類型。

在接下來的二十年中，中國(guó)有建設(shè)世界最大核電行業(yè)的雄心勃勃規(guī)劃。規(guī)劃包括多達(dá)30座新的傳統(tǒng)核電站（除了目前運(yùn)行的34座反應(yīng)堆），以及各種下一代反應(yīng)堆，包括釷熔鹽反應(yīng)堆、MSTR、高溫氣冷堆、PBR（像熔鹽反應(yīng)堆一樣高效和固有安全）、鈉冷卻快速反應(yīng)堆（可以利用傳統(tǒng)反應(yīng)堆產(chǎn)生的乏燃料發(fā)電）。

美國(guó)和中國(guó)政府積極支持核電研發(fā)。

核能的軍事應(yīng)用

第二次世界大戰(zhàn)后的冷戰(zhàn)期間，美國(guó)和蘇聯(lián)/俄羅斯之間開展了軍備競(jìng)賽，儲(chǔ)備了大量核武器（彈頭數(shù)量見圖 1），99% 的武器集中在這兩個(gè)國(guó)家，雖然中國(guó)、印度和巴基斯坦都在探究新的彈道導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈和海基核武器投射系統(tǒng)。此外，巴基斯坦通過發(fā)展戰(zhàn)術(shù)核武器能力來降低核武器使用的門檻，以抵制已知的印度常規(guī)軍事威脅。朝鮮違反了早先的無核化承諾，繼續(xù)發(fā)展核武器。

圖2 世界核火力——2016年世界核彈頭武器庫(kù)情況估計(jì)

1986 年在雷克雅未克（Reykjavik）美國(guó)總統(tǒng)里根（Reagan）和蘇聯(lián)總統(tǒng)戈?duì)柊蛦谭颍℅orbachev）差一丁點(diǎn)就禁止所有核武器。戈?duì)柊蛦谭蛳虢顾袕椀缹?dǎo)彈，但里根想繼續(xù)研究戰(zhàn)略防御計(jì)劃（Strategic Defense Initiative, SDI）， 涉 及 更 多的防御方面——攔截來襲導(dǎo)彈的反彈道導(dǎo)彈，但談判在緊要關(guān)頭破裂了。即使如此，首腦會(huì)議被認(rèn)為是成功的，因?yàn)殡p方都發(fā)現(xiàn)了各自能夠讓步多少，為 1987 年在華盛頓簽署的中程核武器 INF 條約（Intermediate Range Nuclear Forces Treaty）鋪平了道路。

無論如何，這個(gè)機(jī)會(huì)失去了，現(xiàn)在的普京是更積極的政治家。這幾年間，美國(guó)已經(jīng)開發(fā)了防御用反彈道導(dǎo)彈，但許多武器庫(kù)已經(jīng)不再使用。世界核武器情況見圖 2、表 1。

然而，特朗普總統(tǒng)的崛起改變了世界形勢(shì)。 他 談 妥 了 北 約（the North Atlantic Treaty Organization, NATO），確保歐洲國(guó)家以國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的2%承擔(dān)其責(zé)任。美國(guó)目前正在波蘭、拉脫維亞進(jìn)行北約軍事演習(xí)。當(dāng)然，這一切都是為了防御俄羅斯。

2016 年 12 月 22 日，美國(guó)總統(tǒng)唐納德·特朗普在一篇推文中宣稱：“如果世界沒有核武器，那將是好事。但既然有核武器，美國(guó)必須大大加強(qiáng)和擴(kuò)大其核能力，直到世界對(duì)核武器有所覺悟?！边@實(shí)際上挑戰(zhàn)世界重新參與核競(jìng)賽。第二天，特朗普重申了他的立場(chǎng)，說：“讓它成為一場(chǎng)軍備競(jìng)賽。我們將在每一次關(guān)口勝過他們，并比他們更持久?！?/p>

那么今天呢？戈?duì)柊蛦谭蛘f將有第三次世界大戰(zhàn)。毫無疑問，美國(guó)與歐洲的局勢(shì)緊張已經(jīng)加劇，來自中東和非洲的不可阻擋的移民危機(jī)惡化了這種緊張局勢(shì)。這些移民似乎已經(jīng)滲透到澳大利亞、加拿大等世界各個(gè)角落。21世紀(jì)世界不會(huì)像如今一樣和平，面臨著缺水、食物短缺、能源稀缺、氣候變化、污染、失業(yè)、人口遷移、核軍備競(jìng)賽等多種難以解決的問題。基本問題歸結(jié)于人類的一個(gè)巨大不可救藥的問題-世界人口過剩，已經(jīng)超過73億。

表1 世界核武器情況估計(jì)

郭久亦（Gioietta Kuo），畢業(yè)于劍橋大學(xué)，并在牛津大學(xué)、普林斯頓大學(xué)從事研究多年，是一位主攻能源問題的物理學(xué)家。