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            首都科學講堂第675期《核電流言知多少?》

            信息來源:北京科學中心      發布時間:2020-12-13

              2020年12月12日,首都科學講堂線上開講,本次首都科學講堂邀請了中國科學院電工研究所副研究員、北京工業大學兼職導師張子立,為大家帶來題為《核電流言知多少?》的精彩講座。

               

              核電流言知多少?

              近年來,“核電安全”頻頻成為社會熱門話題,越來越多的人也開始談“核”色變。人們不禁要問:核電是什么?我們為什么要發展核電?核電站的輻射很大嗎?它真的會讓人身患絕癥或者不孕不育嗎?核電站到底是造福一方的新型技術,還是隱憂重重的潛在危機?對核電的恐懼到底是悲觀主義者的杞人憂天,還是出于理性的一種未雨綢繆?

              第一講 不得不要——離不開的核能發電

               “能源危機”,這是一個近年來被頻繁提及的話題。如今大多數人都已經意識到,不論是石油、天然氣抑或是煤,人類主要使用的這些化石能源都是“有年限”的,總有一天會被“用完”。同時我們也發現,這些化石能源產生了大量的二氧化碳,加速了全球氣候變暖,進而導致這些年極端天氣頻發,給人類造成了巨大的損失。所以我們渴望找到一種方法,既能幫我們解決能源危機,又能提供一種發展與減排并進的選擇。

              為此,世界各國陸續簽訂了《聯合國氣候變化框架公約》、《京都議定書》和《巴黎氣候協定》等協議,希望通過共同的努力,在發展的同時也能實現保護環境、遏制全球變暖的愿望。《巴黎氣候協定》中更是明確規定,工業化之后的全球氣溫較之前不能超過2℃。盡管這一數值遭到很多政府的反對——在他們看來,2℃的標注過于激進會影響經濟發展,但在學術界看來這2℃遠遠不夠,全球氣溫升起來容易,降回去卻很難。

              對于世界上大多數國家而言,發電還是二氧化碳排放的“大頭”:相較于歐盟(20%)和美國(30%),我國發電還是以煤炭為主(55%),其次是水電,而我們今天的主題——核電的占比反而非常低。舉例來說,法國是全世界核電發電占比最高的國家,核電占比約為72%,韓國占了30%,歐美等則保持在20%上下,只有中國,核電的占比一直徘徊在4%。盡管在技術上我們并不落后,但中國始終沒有計劃大力發展核電——截至2018年,全世界正在運行的機組有448座,中國只有45座,而在建的59座當中中國也只有11座。未來,我國也會始終將核電占比控制在5%左右,而這一數值遠遠低于美俄歐的20%-30%。

              談到核電,我們就不得不提反應堆。所謂“一代堆”大部分是指實驗堆,是最早一批的核電站,現在已經幾乎見不到了;“二代堆”是現在最多的,根據冷卻介質可以被分為輕水堆、重水堆和氣冷堆,世界上95%的反應堆都是輕水堆,壓水堆和沸水堆則是輕水堆中最常見的兩個類型。輕水堆一旦沒有流水降溫,它的溫度就會升高并產生一系列連鎖的惡性反應,這就是核電站最怕出現的問題——失冷。為了防止反應堆失冷,增強核電站的安全性,人們在“二代堆”的基礎上又提出了“三代堆”。從本質上看,“三代堆”在堆型上幾乎跟“二代堆”沒有太大差別,真正從反應堆構造就有所區分的只有“四代堆”,但后者目前多數還停留在實驗室階段。

              人們之所以選擇核電,一方面是因為它的能量密度大、燃料體積小;另一方面是看重它幾乎不會污染空氣,有利于節能減排。加之原料占運營成本低,發電成本穩定,這些都讓核電在一些國家廣受歡迎。然而它的缺點也很明顯:如何妥善處理乏燃料是核電目前最棘手且無法規避的問題,其次核電的熱效率很低,熱污染也較為嚴重;第三,建造核電站的一次性成本太大,并附帶了很多復雜的社會政治因素,導致人們對它的安全性一直充滿疑慮。

              第二講 習焉不察,談談生活里的輻射

              在解答與核電站有關的輻射安全之前,我們需要先正確認識輻射。日常我們所說的輻射大多時候指電磁輻射,根據頻率或者說是波長的變化,可以被分為無線電波、微波、紅外、可見光等很多種,最常見的就是人們每天都能看到的可見光。那么,我們該如何評判一種電磁輻射對人是否明顯有害呢?要看它的頻率且僅跟它的頻率有關,跟照射強度、照射時間都沒有關系。換句話說,只要它的頻率不過警戒線,對人體基本不會造成明顯的危害。

              對于輻射安全,我們其實有著很大的誤解。首先,中國在電磁波強度單位的標準制定上,本身就比國際標準要嚴苛——歐美日的標準一般是100瓦/平方米,而我國的標準是0.4瓦/平方米;其次,多數人其實并不真正了解輻射,存在著很大的認知盲區。譬如手機,一些人只知道它在接通的一剎那輻射很高,卻不知道只要接通了,它的輻射就小于0.4瓦;對于輻射只有0.07瓦的WiFi,甚至是電磁爐、微波爐這些輻射幾乎都測不出的事物,大家都特別擔心,反而對功率最大的電磁輻射——日光“視而不見”。要知道,日光的電磁輻射將近1000瓦,遠大于任何你能看到、“擔心”到的輻射。

              前幾年網上有一種謠言說,中國高鐵雖然發達但是輻射也大,會讓人“不孕不育有損健康”。事實上,高鐵用的是50赫茲的工頻電,遠遠達不到警戒標準——1015赫茲頻率以上。還有人擔心住在高壓電線旁會對身體有害,其實高壓線“高”的只是電壓而非頻率,這種擔心完全是多余的。類似的還有防輻射孕婦服,復旦大學發布了研究結果,證實了穿孕婦服和不穿孕婦服對胎兒的畸形率沒有統計學的意義。換句話說,穿這種衣服能防住的“輻射”都對胎兒沒有影響,真正有害的譬如X射線,穿這種衣服壓根也防不住。

              當然,在評定電離輻射對身體的傷害時我們還需要參考劑量。人們發現,當累計輻射量達到400毫西弗時,對男性的生殖器官才會造成最大損害,這相當于健康人一口氣做了80次腹部CT,拍了2萬次胸片。也就是說,即便是日常去醫院做個CT、拍個X光,這種輻射劑量都不會對人體造成明顯損傷。

              當我們談核電輻射安全時其實是從技術安全和社會接受度兩個角度來理解的,畢竟技術上安全和人們認為的“核電達到了安全標準”是有很大差距的:在技術上,美國1982年就提出了“兩個千分之一”的安全標準,這個標準世界上所有核電站都能做到,但還是有很多人認為核電危險,要求核電只有做到“100%安全”才算安全。然而不只是核電,甚至是水電風電等任何設施和工程都不可能也沒必要做到100%的安全,通過人工設計將故障率降低至人為的誤差以下才是對“安全”的理性認識。

              第三講 天災還是人禍?被誤讀的核事故

              不可否認,盡管核電技術是安全的,但也會存在發生核事故的可能。

              國際原子能組織將核事故分為七個等級,在理論上,一些文件中會將1-4級的事件稱為“核事件”而非“核事故”,這是因為4級以下的影響只局限于廠內甚至是反應堆內,只有5-7級的核事故才會真真正正地波及周邊環境。值得一提的是,并不是所有的核事故都發生在核電站內,凡事都有例外——1987年巴西發生過一起5級核事故,一家醫院在報廢放療機時并沒有按要求處理,而是直接將報廢機器送到了廢品廠。這場核事故最后導致一百多人受到了超劑量輻射,4人因此死亡。

              那么,那些發生在核電站的核事故到底應該算是天災還是人禍呢?通過復盤三里島核事故和切爾諾貝利核事故,我們或許可以好好反思一下。

              先說說三里島事件:1979年3月28日凌晨,美國賓州的三里島核電站二號機組發生了事故,造成事故的主要原因是機組的二回路水泵壞了。按照設計,在出現這種情況時核電站的備用泵會自動啟動,但是在之前的定期檢修中,工作人員檢修完畢后卻忘了打開閥門。這一連串的“不小心”直接導致備用泵雖然啟動了,但是閥里沒有水,進而使一回路的溫度持續爬升。隨著一回路溫度越來越高,冷卻水進入氣態,壓力殼容器中壓力開始升高,從而觸發了泄壓閥,開始釋放壓力。但是泄壓閥并沒有自動歸位,進而導致一回路中出現失冷現象。此時應急冷卻系統開始向一回路補充冷卻劑。如果只是一些技術故障其實還能補救,但更要命的事情發生在之后——操作人員因為慌亂,竟然手動關閉了自動啟動的應急冷卻系統,險些釀成大災難。

              在后續的調查中人們意識到,三里島核電站的主控面板存在著巨大的設計缺陷——報警系統不區分等級,一旦出現問題,主控面板上100多個燈會跟警鳴一同狂閃,猶如“火上澆油”般干擾操作人員的臨場判斷。

              至于切爾諾貝利,事情就更復雜了:1986年4月26日,當時人們正要關機檢修切爾諾貝利的4號機組,結果機組的總工程師突然提議,想借機檢測機組的應急冷卻系統。盡管沒有準備任何應急預案,盡管機組因為建造太早,必須在手動關閉安全系統之后才能做這個實驗,但人們依然決定“大膽嘗試一番”——哪怕這是一個魯莽冒進、漏洞百出的計劃。事后官方給出的數據顯示,除了當場死亡的31個人,這場相當于一起向歐洲投射了400枚原子彈的核事故,最終導致近16.5萬人殘疾。時至今日,其周邊30公里的范圍內依然是生命禁區,100公里范圍內禁止農牧發展,直接經濟損失超過20萬億美元。

              值得一提的是,在面對如此重大的人禍時,雖然明知前方兇多吉少,但仍有一大批搶險人員選擇沖進現場進行搶救。正是有了他們的無畏付出,這才有了今天尚有挽回余地的切爾諾貝利。相比之下,反而是一直不被正視、長期無法得到妥善處理的福島核電站,或許才潛藏著巨大的危險。

              回顧過去,無論是三里島核事故還是切爾諾貝利核事故,雖然都存在設計問題,但人為主觀操作失誤始終是釀成悲劇的關鍵。

              第四講 “不吹不黑”,理性認識核電

              這些年,核電站經常被妖魔化,像“核電站建在海邊是為了方便直接排放污水”這種謠言,事實上,很多核電站并沒有建在沿海地區,而是選擇建在內陸,而那些選擇建在海邊的核電站更多的是為了方便排熱,絕非排污。

              自從美國發生9·11事件后,還有人擔心核電站的安全,提出“如果遇到襲擊,核電站被撞了要怎么辦”的質疑。暫且不說一般的核電站也就只有70米高,就從核電站本身的設計來說,它們不僅會在外面“穿”一層安全殼——1米厚的鋼筋混凝土,而且內部的鋼筋含量一般也都在110千克上下,比世貿大樓幾乎多出50千克。也就是說,如果世貿大樓是一根“又細又高”的木棍,那么核電站就是一個“又矮又胖”的木墩,想從天上用飛機來撞擊它著實不易。

              然而還有人不放心,認為不能排除這種被恐襲的幾率,為此,其實各國在9·11事件后也都有所考慮,加強了對自己國家核電站的保護,比如給它多“穿”一層安全殼——你撞壞一個,里頭還有一層保護。至于核電站會不會變成蘑菇云,從理論上講,核電站的核心組成無論怎么撞、被撞成什么樣,就算是從內部破壞它,都不會引發一場“蘑菇云”。究其原因,核彈爆炸的前提是小范圍、大劑量,且需要以95%以上的濃縮鈾為燃料,而核電站用的不是濃縮鈾而是鈾。一般來說,核電站所用鈾的含量約為4%,雖然不同堆型會略有不同,但想用飛機襲擊讓這4%的核燃料發生核爆幾乎是不可能的。

              到此為止,核電站的外界風險因素我們解釋完了,那內部危機呢?恰如反對者所認為的那樣,因為放射性物質能保持百萬年,所以建造核電就是飲鴆止渴,是“長遠角度禍及子孫的選擇”。事實果真如此嗎?

              首先我們要承認,乏燃料的放射性的確能保持百萬年,甚至百億年都不成問題——乏燃料棒中主要的材料是鈾238,它的半衰期是45億年,十個半衰期就是450億年,也就是說一個乏燃料棒能持續輻射450億年,這是不是很可怕?恰恰相反:衡量一個放射性物質是否有危害,主要看的是它的放射性活動,放射性活動越高的東西實際上半衰期越短,半衰期越長的物質反而危害越小。

              舉例來說,如果有1克的放射性物質,它在一天就會衰變一半,那么十天內就會全部衰變完,用最簡單的計算來看的話,你每天接受的輻射量差不多是1/10,如果衰變的時間更長,那么你每天受到的輻射量就更小。正因如此,我們時常會看到核電站的工作人員戴著手套就可以操作燃料棒。然而,我們同時也要記住,乏燃料棒中也有大量中短裂變產物和長裂變產物,這些東西是能夠對人類造成危害的,這也就是為什么每次取出乏燃料棒后,我們還得把它在水里繼續放十年,其目的就是要把這些中短裂變產物放沒。

              簡而言之,乏燃料棒并沒有那么可怕,但也不是不可怕。目前,全球都在研究如何更好地處理乏燃料棒,例如通過水內靜置去除掉中短裂變產物,或是嘗試通過后處理,將元素分離出來后再去更好地固化靜置。

              福島發生核事故后,圍繞核電站的發展一直爭議不斷。人們不禁要問,全球真的對核電因噎廢食了嗎?不然。目前,除了個別國家及地區,全球多數國家已經擁有并且還在興建新型的核電站,這其中既有中、美、英、法、俄,也包括巴西、印度、阿根廷等重要的發展中國家。對于部分不再擴建核電站的國家,要么是因為現有需求已經能基本滿足了,要么是因為本國的特殊國情:作為一種密度非常高的能源,核電最適合像日本這樣地狹人稠的國家,而澳大利亞這種地廣人稀的國家自然不需要,而像挪威和冰島這種僅靠水電和地熱就已經能做到90%以上可再生能源覆蓋的國家,自然不需要再投入大量的財力物力來發展核電……可以說,不管是曾深受切爾諾貝利影響的白俄羅斯,還是燃油發電都比核電便宜的阿聯酋,發展核電站如今被多國視為事關國家級能源安全的重要問題。

              中國是對核電的安全最重視的國家之一,早在2014年3月,習總書記就在海牙首次提出了中國核安全觀,提出發展與安全并重、權利與義務并重、自主與協作并重、治標與治本并重。兩年后,我國出臺了中國第一本核應急白皮書,同年,核安保示范中心、核應急救援隊陸續建成,隨著《中華人民共和國核安保條例(征求意見稿)》《核電管理條例(送審稿)》《中華人民共和國核安全法》以及《原子能法(征求意見稿)》等政策文件的出臺,可以說,我國正在核電依法治國的道路上大步前進。

              當可再生能源尚不能在全球挑起大梁的情況下,發展核電雖然不是最佳的選擇,但作為一種可接受的選擇,它著實是我國清潔能源當中一個必不可分的重要組成。

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