核能有效利用是當(dāng)今社會(huì)關(guān)注的重大問(wèn)題，各國(guó)科學(xué)家都在為之拼搏。核能在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中占有什么樣的重要地位?如何保障核能安全利用?科學(xué)家在核能安全利用方面正在做哪些事?帶著這些問(wèn)題，記者采訪了中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所的專家。
核能發(fā)電
清潔便宜的能源
核能是原子核發(fā)生重新組合或分離而釋放出來(lái)的能量，也稱“原子核能”，它有聚變能和裂變能兩種。聚變能尚在深入探索研究階段，人類還沒(méi)有完全掌握;裂變能，人類已實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？煽?，并已實(shí)現(xiàn)商用化。核能目前利用最多的領(lǐng)域還是核能發(fā)電，現(xiàn)在世界上有幾百座核電站在運(yùn)行，還有不少核電站在建。到目前為止，全球核電發(fā)電份額約占總份額的13.5%左右，發(fā)達(dá)國(guó)家在運(yùn)核電裝機(jī)總量已占電力裝機(jī)總量的20%，我國(guó)僅占2%至3%左右，尚處低位。
反應(yīng)堆是實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？煽睾肆炎冩?zhǔn)椒磻?yīng)的重要裝置，它向人類提供核能，核電站的核心就是反應(yīng)堆。核能發(fā)電是利用核反應(yīng)堆中核裂變所釋放出的熱能進(jìn)行發(fā)電的方式，這一點(diǎn)與火力發(fā)電極其相似。不同的是，核能發(fā)電以核反應(yīng)堆及蒸汽發(fā)生器來(lái)代替火力發(fā)電的鍋爐，以核裂變能代替礦物燃料的化學(xué)能。單位體積燃料核反應(yīng)所放出的熱量較燃燒化石燃料所放出的能量要高約百萬(wàn)倍，比較起來(lái)所需要的燃料體積比火力電廠少很多。舉例來(lái)說(shuō)，一座大型核電廠每年要用掉80噸的核燃料，只要2支標(biāo)準(zhǔn)貨柜就可以運(yùn)載。如果換成燃煤，需要515萬(wàn)噸，每天要用20噸的大卡車運(yùn)705車才夠。如果使用天然氣，需要143萬(wàn)噸，相當(dāng)于每天燒掉20萬(wàn)桶家用瓦斯。地球上核燃料資源儲(chǔ)藏量豐富，已探明的鈾礦至少有460萬(wàn)噸，相當(dāng)于4萬(wàn)億噸煤的能量，可供人類使用200年。核能發(fā)電比較經(jīng)濟(jì)，雖然它一次性基建投資較大，但核燃料的費(fèi)用比煤和石油燃料費(fèi)用要便宜得多，所以核電站的總成本已低于火力發(fā)電站的總成本，有較好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。此外，核能發(fā)電還可實(shí)現(xiàn)大幅削減二氧化碳的排放目標(biāo)。根據(jù)國(guó)家“十三五”發(fā)展規(guī)劃，到2020年，我國(guó)核電裝機(jī)容量將達(dá)到5800萬(wàn)千瓦，在建容量將在3000萬(wàn)千瓦以上，總共要完成8800萬(wàn)千瓦的既定目標(biāo)。這說(shuō)明，在未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，核電在非化石能源的發(fā)電中占有重要地位，并在人類的生產(chǎn)和生活中發(fā)揮重要作用。
叩問(wèn)核安全
多安全才算安全
雖然核能發(fā)電既有較高的經(jīng)濟(jì)效益，又有很好的環(huán)境效益，但大眾對(duì)于核安全總是心存疑慮。今年是前蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故30周年，也是日本福島核事故5周年。這兩次重大事故，再次喚醒人們對(duì)于核能安全問(wèn)題的警惕和關(guān)注。切爾諾貝利核事故的原因有人為的原因，也有設(shè)備的原因。如：電站使用的反應(yīng)堆，西方發(fā)達(dá)國(guó)家早已經(jīng)淘汰。該反應(yīng)堆自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)技術(shù)落后，沒(méi)能將事故及時(shí)處理。再有就是，對(duì)這種安全性本來(lái)就差的反應(yīng)堆竟然沒(méi)有設(shè)置安全殼，只有一般的廠房。這次事故造成反應(yīng)堆廠房爆炸，堆芯熔化，放射性裂變產(chǎn)物污染了大氣環(huán)境。
福島核事故與切爾諾貝利核事故同為七級(jí)核事故(國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)IAEA將核事件分為7級(jí)，7級(jí)為最嚴(yán)重)。福島核事故是因?yàn)榈卣鹨鸬暮[造成核電站斷電，反應(yīng)堆無(wú)法冷卻，才導(dǎo)致大爆炸和堆芯熔融。福島核事故的后果比較嚴(yán)重，至今仍然影響著核電站周圍居民的生活，部分疏散人員仍然無(wú)法返回家鄉(xiāng)，核電站附近的海水也受到不同程度的污染。
核安全要多安全才算安全?中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所所長(zhǎng)吳宜燦研究員認(rèn)為，回答這個(gè)問(wèn)題需要更新理念，安全目標(biāo)不僅要考慮對(duì)公眾的保護(hù)，還要考慮對(duì)環(huán)境和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展的影響。
國(guó)際上核安全目標(biāo)的科學(xué)定性描述是：不明顯增加個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。如何界定“不明顯”呢?美國(guó)核管會(huì)(NRC)在1979年三哩島核事故后提出兩個(gè)“千分之一”：緊鄰核電廠的個(gè)人或居民急性死亡風(fēng)險(xiǎn)不超過(guò)其他原因?qū)е录毙运劳龅那Х种?因核電廠運(yùn)行導(dǎo)致癌癥死亡的風(fēng)險(xiǎn)不超過(guò)其他原因致癌風(fēng)險(xiǎn)總和的千分之一。嚴(yán)格地說(shuō)，這樣的定量概率安全目標(biāo)，是在美國(guó)當(dāng)時(shí)的廠址、環(huán)境和人口條件下，基于壓水堆技術(shù)從兩個(gè)“千分之一”推導(dǎo)出來(lái)的。但目前大多數(shù)國(guó)家只是簡(jiǎn)單地引用，缺乏充分的指導(dǎo)意義。此外，這一安全目標(biāo)的實(shí)施，依賴于概率安全分析技術(shù)的成熟和完善，分析結(jié)果中的不確定性始終是其面臨的重要挑戰(zhàn)。顯然，對(duì)于多安全才算安全，人們并沒(méi)有獲得最后的答案，安全目標(biāo)會(huì)隨著時(shí)代發(fā)展、科學(xué)進(jìn)步以及技術(shù)提升而改變。
保障核安全
技術(shù)進(jìn)步是首選
保障核安全，既是一個(gè)世界性的課題，也是我國(guó)政府十分重視的研究領(lǐng)域。日本福島核事故后，2011年9月中國(guó)科學(xué)院決定成立核安全所，由中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院與中國(guó)科技大學(xué)聯(lián)合共建。研究所的目標(biāo)是：建成具有國(guó)際先進(jìn)水平的核能安全技術(shù)研究基地、核能安全專業(yè)高端人才培養(yǎng)中心、核電站及其他核設(shè)施安全技術(shù)綜合支持平臺(tái)及第三方評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)。
長(zhǎng)期以來(lái)，“縱深防御”(DID)一直被作為最基本的核安全哲學(xué)理念，它是二十世紀(jì)40年代由美國(guó)杜邦公司化學(xué)工程師提出。但隨著反應(yīng)堆運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的反饋，使得DID層級(jí)不斷加深，已不堪重負(fù)。一方面，無(wú)限制增加DID，意味著建造成本增加，競(jìng)爭(zhēng)力下降，沒(méi)有核電，還談什么核安全?另一方面，無(wú)限制增強(qiáng)DID，未必帶來(lái)最終的安全。
面對(duì)上述困境，主要有兩條解決途徑。一是采用非能動(dòng)技術(shù)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。非能動(dòng)技術(shù)，實(shí)質(zhì)上是利用自然法則給設(shè)計(jì)“瘦身”，在提高安全性的同時(shí)節(jié)省成本。二是通過(guò)采用革新型反應(yīng)堆技術(shù)，利用反應(yīng)堆自身安全特性從本質(zhì)上加強(qiáng)安全。核裂變反應(yīng)堆已經(jīng)歷了四代。其中，第四代裂變反應(yīng)堆是目前正在設(shè)計(jì)和研發(fā)的、在反應(yīng)堆概念和燃料循環(huán)方面有重大創(chuàng)新的反應(yīng)堆，如鉛基反應(yīng)堆，其主要特征是：可防止核擴(kuò)散、具有更好的經(jīng)濟(jì)性、安全性高、燃料增殖性能好和廢物產(chǎn)生量小。專家認(rèn)為，革新型核能系統(tǒng)是未來(lái)核能重要發(fā)展方向，也是解決核安全問(wèn)題的主要途徑。
放射性核廢料難處理是公眾對(duì)核安全的另一個(gè)擔(dān)憂。現(xiàn)行核廢料的處理處置方法主要是“土葬”，即按國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)要求，對(duì)中低放射性核廢料，不論是固體核廢料還是液體核廢料，都要進(jìn)行固化處理，然后裝在“封閉容器”里，放在淺地層的處置庫(kù)里。處置單元由鋼筋混凝土澆筑而成，即使發(fā)生地震，它也是一個(gè)完整的水泥塊，不會(huì)輕易破裂。而對(duì)于高放射性廢料的處理處置，則主要采取深埋方式。目前，我國(guó)已建有兩座中低放射核廢料處置庫(kù)，還沒(méi)有一座高放射性核廢料處置庫(kù)，所有的高放射性核廢料只能暫存在核電站的硼水池里。
吳宜燦研究員認(rèn)為，對(duì)核廢料更先進(jìn)的處理方法是“火葬”，目前核安全所正在牽頭研究多種“火葬”反應(yīng)堆新概念，其中加速器驅(qū)動(dòng)嬗變系統(tǒng)(ADS)是通過(guò)中子與高放射性核廢料發(fā)生嬗變反應(yīng)來(lái)處理核廢料，有望解決高放射性核廢料污染問(wèn)題，并達(dá)到“變廢為寶”的目的。目前，該所自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)研發(fā)的中國(guó)鉛基反應(yīng)堆 “麒麟號(hào)”(英文名CLEAR)因其優(yōu)越的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)能力已被選作ADS反應(yīng)堆堆型，它將同時(shí)為我國(guó)第四代鉛冷快堆的發(fā)展建立強(qiáng)有力的技術(shù)基礎(chǔ)，為保障核安全做出自己的貢獻(xiàn)。
