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技术文章

寻找更安全的核反应堆

2018/3/2 10:37:04

 世界尚未从日本大地震带来的天灾中缓过神来，福岛的核电危机接踵而至，前者使一个国家受损，后者困扰着整个世界。最近两周，福岛第一核电站陆续传来的好消息或是坏消息，又一次在全球范围内引爆了核电争议，山雨欲来的“核电复兴”由此放慢了脚步。但是在这个时刻全盘否定核电并非理性之举，福岛核电事故属于特殊事件，与“经典”的切尔诺贝利核事故有本质区别。自古以来，科技的进步往往伴随着一次又一次血的教训，当今的核电技术，特别是安全技术，正是在切尔诺贝利这类悲剧事件的“刺激”下得到快速发展。福岛的核电事故究竟有多大的破坏力，目前还难有定论，但是现在世界各地的核电生产商和科学家已行动起来，积极寻找更加安全的核反应堆。

日本核电危机：7分天灾3分人祸
福岛第一核电站使用的是由通用电气制造的沸水反应堆（BWR），属于第二代核电技术产品。由于日本地处地震频繁板块，这座核电站在设计之初已将抗震能力列为重要内容。3月11日下午，福岛第一核电站的地震感应器记录下了日本现代史上最大地震的早期信号，并立即启动了预设的响应程序，控制棒随即插入正在运行中的三座反应堆（1号、2号、3号）堆芯。控制棒能够减少每次裂变产生的中子数，进而降低裂变活跃度。4号、5号和6号反应堆因例行检查在地震发生前已关闭。
这是福岛与切尔诺贝利的重大不同之一。1986年切尔诺贝利核电站发生爆炸时，所有的反应堆仍处于运转状态，也就是说，福岛的核反应堆产生的热量从一开始就比切尔诺贝利要低很多；此外，切尔诺贝利反应堆基本没有保护反应堆的安全壳，事故发生后大量高辐射物质直接进入了大气层，福岛的核反应堆则拥有三层保护，从燃料棒上的两层防护壳，再到最外层由1米厚钢筋混凝土制成的、连飞机都撞不破的坚硬外壳，最大限度地把放射性物质封锁在反应堆系统内部。然而这些看似完美的防护措施在难以预料的天灾面前显得不堪一击。
地震来袭时，福岛核电站 6个反应堆虽然都已关闭，但临时关闭的三个反应堆中因为裂变产生的放射延迟和衰变辐射仍然在释放能量。反应堆堆芯通常浸在水中，核反应产生的热使水沸腾，产生的蒸汽驱动涡轮机发电，而水转回来也会给反应堆降温，这就是所谓的冷却系统。如果没有足够的水，燃料棒会随着能量聚集而熔化反应堆的堆芯和钢铁容器，导致辐射物释放到环境中，这将是福岛核电站面临的最糟糕结果。
福岛核反应堆停止工作后，急需外部电力带动水泵冷却核燃料，但是地震很快报废了数条专门提供应急用电的外部输电线路。即便如此，电站还配有一个柴油发电机，但没有想到随后的海啸将这最后一棵救命稻草也摧毁了。
引发福岛核事故的直接原因是天灾，但日本核电站在危机中也暴露出超期服役、抗震不力、设备老化以及低估海啸的弊病，而这些隐患并非难以消除。35年前，曾参与设计福岛第一核电站1号机组的美国通用电气公司技术人员布里登博就已指出，福岛第一核电站存在安全隐患，并提出了一系列整改建议，但却并未被采纳，这位非常有责任心的工程师因此愤然辞职。1972年，美国原子能源委员会也曾建议全面停用1号沸水反应堆，并提醒日方一旦燃料棒过热，安全壳极易爆裂，出现核泄漏事故的几率高达9成。但这些善意的忠告都被核电运营方——东京电力公司人为地忽略了。
“被动式冷却系统”将成主流
如何保证冷却系统的正常运作，是核电安全运行的最大问题之一。在核电安全领域有一个概念叫做“纵深防御”，即首先有一个主冷却系统，然后还要有数个备用系统。福岛事件证明，这种传统的核安全观念有一个致命缺点——重大灾害有可能完全摧毁备用系统。
目前国外核电生产商正在推广的“第三代加强型”核电设计则正在改变这种人为干预的冷却系统，有望通过“被动式冷却系统”提升核电运行的安全系数，即如果反应堆开始出现过热的情况，新的冷却系统会利用自然气流、引力和其他自然现象自动对堆芯进行冷却，而不是使用泵、阀或者人工操作，在没有外界干预的情况下，这种被动式冷却系统最长可以运行3天。
这类核反应堆的生产商包括美国西屋、通用电气、日本的三菱以及法国核电巨头阿海珐，很多设计方案仍在等待相关部门批复，其中比较成熟的设计为阿海珐的“欧洲压水反应堆”（EPR）和西屋的AP1000。麻省理工《技术评论》杂志指出，保持核电站的安全运转意味着使它在任何情况下都能保持冷却状态，福岛核电事故已经证明，天灾人祸完全有可能导致常规冷却方法失灵，被动冷却系统能够在灾难发生时自行工作，不需要发电机和水泵，预计未来将有更多核电站依赖这种被动式安全系统。
小型模块式反应堆值得期待
麻省理工学院核电安全系统专家波多尔斯基指出，从另一个角度看，真正安全、可靠的核电要求反应堆堆芯不会熔化，这意味着核电站的规模会缩小而不是增大。
波多尔斯基认为，今后可能会依赖很多小一些的、分布式的核电站，即小型模块式反应堆，这些小型模块式反应堆能生产100兆瓦到200兆瓦的电力，体积也只有传统反应堆的1/5,这些“迷你”核电站能够摆脱对主电网的依赖，给农村的用户供电。更重要的是，小型反应堆会更加安全，因为体积小，它们不会将过多热量集中在一个地方，放射性也要小很多，对冷却系统的要求要低很多。
除此之外，第四代核反应堆也已在设计之中，并且在探索先进的冷却系统和其他技术的可能性。第四代核电站不仅可利用传统的铀235作为核裂变资源，还可利用铀235产生的“副产品”进行反应，因此能效更高、排放更低。不过，科学家认为，这些核电站要变成现实，起码还需要20年的时间。
与此同时，工程师们还在尝试各种其他的核电站设计方案，其中之一是漂浮核电站。俄罗斯目前已着手建造世界上第一个漂浮核电站，预计将于明年完工。漂浮核电站具有两大特点：一是机动性强。当地面需要电力时，可以停靠在码头，与陆地上的高压电网连接，实现电力传输；二是造价低。每座核电站的造价约1.2亿至1.8亿美元。
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