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    尋找更安全的核反應堆

    2018/3/2 10:37:04

     世界尚未從日本大地震帶來的天災中緩過神來，福島的核電危機接踵而至，前者使一個國家受損，后者困擾著整個世界。最近兩周，福島第一核電站陸續(xù)傳來的好消息或是壞消息，又一次在全球范圍內引爆了核電爭議，山雨欲來的“核電復興”由此放慢了腳步。但是在這個時刻全盤否定核電并非理性之舉，福島核電事故屬于特殊事件，與“經典”的切爾諾貝利核事故有本質區(qū)別。自古以來，科技的進步往往伴隨著一次又一次血的教訓，當今的核電技術，特別是安全技術，正是在切爾諾貝利這類悲劇事件的“刺激”下得到快速發(fā)展。福島的核電事故究竟有多大的破壞力，目前還難有定論，但是現(xiàn)在世界各地的核電生產商和科學家已行動起來，積極尋找更加安全的核反應堆。

    日本核電危機：7分天災3分人禍
    福島第一核電站使用的是由通用電氣制造的沸水反應堆（BWR），屬于第二代核電技術產品。由于日本地處地震頻繁板塊，這座核電站在設計之初已將抗震能力列為重要內容。3月11日下午，福島第一核電站的地震感應器記錄下了日本現(xiàn)代史上最大地震的早期信號，并立即啟動了預設的響應程序，控制棒隨即插入正在運行中的三座反應堆（1號、2號、3號）堆芯。控制棒能夠減少每次裂變產生的中子數(shù)，進而降低裂變活躍度。4號、5號和6號反應堆因例行檢查在地震發(fā)生前已關閉。
    這是福島與切爾諾貝利的重大不同之一。1986年切爾諾貝利核電站發(fā)生爆炸時，所有的反應堆仍處于運轉狀態(tài)，也就是說，福島的核反應堆產生的熱量從一開始就比切爾諾貝利要低很多；此外，切爾諾貝利反應堆基本沒有保護反應堆的安全殼，事故發(fā)生后大量高輻射物質直接進入了大氣層，福島的核反應堆則擁有三層保護，從燃料棒上的兩層防護殼，再到最外層由1米厚鋼筋混凝土制成的、連飛機都撞不破的堅硬外殼，最大限度地把放射性物質封鎖在反應堆系統(tǒng)內部。然而這些看似完美的防護措施在難以預料的天災面前顯得不堪一擊。
    地震來襲時，福島核電站 6個反應堆雖然都已關閉，但臨時關閉的三個反應堆中因為裂變產生的放射延遲和衰變輻射仍然在釋放能量。反應堆堆芯通常浸在水中，核反應產生的熱使水沸騰，產生的蒸汽驅動渦輪機發(fā)電，而水轉回來也會給反應堆降溫，這就是所謂的冷卻系統(tǒng)。如果沒有足夠的水，燃料棒會隨著能量聚集而熔化反應堆的堆芯和鋼鐵容器，導致輻射物釋放到環(huán)境中，這將是福島核電站面臨的最糟糕結果。
    福島核反應堆停止工作后，急需外部電力帶動水泵冷卻核燃料，但是地震很快報廢了數(shù)條專門提供應急用電的外部輸電線路。即便如此，電站還配有一個柴油發(fā)電機，但沒有想到隨后的海嘯將這最后一棵救命稻草也摧毀了。
    引發(fā)福島核事故的直接原因是天災，但日本核電站在危機中也暴露出超期服役、抗震不力、設備老化以及低估海嘯的弊病，而這些隱患并非難以消除。35年前，曾參與設計福島第一核電站1號機組的美國通用電氣公司技術人員布里登博就已指出，福島第一核電站存在安全隱患，并提出了一系列整改建議，但卻并未被采納，這位非常有責任心的工程師因此憤然辭職。1972年，美國原子能源委員會也曾建議全面停用1號沸水反應堆，并提醒日方一旦燃料棒過熱，安全殼極易爆裂，出現(xiàn)核泄漏事故的幾率高達9成。但這些善意的忠告都被核電運營方——東京電力公司人為地忽略了。
    “被動式冷卻系統(tǒng)”將成主流
    如何保證冷卻系統(tǒng)的正常運作，是核電安全運行的最大問題之一。在核電安全領域有一個概念叫做“縱深防御”，即首先有一個主冷卻系統(tǒng)，然后還要有數(shù)個備用系統(tǒng)。福島事件證明，這種傳統(tǒng)的核安全觀念有一個致命缺點——重大災害有可能完全摧毀備用系統(tǒng)。
    目前國外核電生產商正在推廣的“第三代加強型”核電設計則正在改變這種人為干預的冷卻系統(tǒng)，有望通過“被動式冷卻系統(tǒng)”提升核電運行的安全系數(shù)，即如果反應堆開始出現(xiàn)過熱的情況，新的冷卻系統(tǒng)會利用自然氣流、引力和其他自然現(xiàn)象自動對堆芯進行冷卻，而不是使用泵、閥或者人工操作，在沒有外界干預的情況下，這種被動式冷卻系統(tǒng)最長可以運行3天。
    這類核反應堆的生產商包括美國西屋、通用電氣、日本的三菱以及法國核電巨頭阿�，m，很多設計方案仍在等待相關部門批復，其中比較成熟的設計為阿�，m的“歐洲壓水反應堆”（EPR）和西屋的AP1000。麻省理工《技術評論》雜志指出，保持核電站的安全運轉意味著使它在任何情況下都能保持冷卻狀態(tài)，福島核電事故已經證明，天災人禍完全有可能導致常規(guī)冷卻方法失靈，被動冷卻系統(tǒng)能夠在災難發(fā)生時自行工作，不需要發(fā)電機和水泵，預計未來將有更多核電站依賴這種被動式安全系統(tǒng)。
    小型模塊式反應堆值得期待
    麻省理工學院核電安全系統(tǒng)專家波多爾斯基指出，從另一個角度看，真正安全、可靠的核電要求反應堆堆芯不會熔化，這意味著核電站的規(guī)模會縮小而不是增大。
    波多爾斯基認為，今后可能會依賴很多小一些的、分布式的核電站，即小型模塊式反應堆，這些小型模塊式反應堆能生產100兆瓦到200兆瓦的電力，體積也只有傳統(tǒng)反應堆的1/5,這些“迷你”核電站能夠擺脫對主電網(wǎng)的依賴，給農村的用戶供電。更重要的是，小型反應堆會更加安全，因為體積小，它們不會將過多熱量集中在一個地方，放射性也要小很多，對冷卻系統(tǒng)的要求要低很多。
    除此之外，第四代核反應堆也已在設計之中，并且在探索先進的冷卻系統(tǒng)和其他技術的可能性。第四代核電站不僅可利用傳統(tǒng)的鈾235作為核裂變資源，還可利用鈾235產生的“副產品”進行反應，因此能效更高、排放更低。不過，科學家認為，這些核電站要變成現(xiàn)實，起碼還需要20年的時間。
    與此同時，工程師們還在嘗試各種其他的核電站設計方案，其中之一是漂浮核電站。俄羅斯目前已著手建造世界上第一個漂浮核電站，預計將于明年完工。漂浮核電站具有兩大特點：一是機動性強。當?shù)孛嫘枰娏r，可以停靠在碼頭，與陸地上的高壓電網(wǎng)連接，實現(xiàn)電力傳輸；二是造價低。每座核電站的造價約1.2億至1.8億美元。

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