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福岛事故之后的核电:事实与数字

电承诺为发展中国家带来清洁能源。Dave Elliott描述了在福岛核事故之后它的进展和前景。

60年以来,核电站使用铀发电已经作为一种为繁荣的新世界提供廉价、清洁的能源的方式加以推广。

核能如今提供了全世界13.8%的电力,其中大多数核电站在发达国家[1]。而且由于核电站不排放二氧化碳,它们可以视为应对气候变化的一种方式。

然而这种技术的反对者指出了其缺点:建设、运营和维护核电站以及处理放射性废物的成本高,以及有效监管环境与人员安全风险的困难。

开采和处理反应堆燃料也需要大量能量,因此在整体上核系统其实不是零碳排放的。

所有这些为发展中国家带来了一个两难局面,它们需要相对廉价的能源。一些发展中国家已经发现核能是一个有吸引力的选项,而且已经对核电站进行了投资(见 表1)

国家

占电力的百分比

10亿千瓦时

(2)
6,7
5,9
(2)
13,9
3,1
(14)
71,0
1,8
(5)
20,5
2,9
(21)
141,9
32,2
(2)
5,6
3,6
(3)
2,6
2,6
(2)
12,9
5,2
WORLD
(440)
2.630
13,8

表1:发展中国家的核电
发展中国家的核电电力产出以及占全球发电量的百分比(核电站数量在括号里)。

来源:世界核电协会2011 [1]

但是在福岛核电站于2011年3月日本海啸后发生核事故之后,另外一些曾经打算建立核电站的国家如今已经放弃了它们的计划(见 表2)

发展核电的发展中国家

不再感兴趣的国家

孟加拉国
古巴*
智利
科威特
埃及
马来西亚
伊朗
菲律宾
约旦
卡塔尔
哈萨克斯坦
泰国
肯尼亚
 
朝鲜
 
沙特阿拉伯
 
土耳其
 
阿联酋(阿布扎比)
 
越南
 
委内瑞拉
 

*古巴在数年前就放弃了核计划

表2:发展中国家核电的当前规划

福岛核事故破坏了全世界对核电的信任和支持。各国的观点各不相同,但是如今 60%的人反对核电(见 框1)。

框1:福岛核事故之后的公共观点

在2011年5月进行的一个24国公共观点研究[2]发现,62%的被调查者反对核电——25%的人改变了观点,这对反对核电选项起到了决定作用。一些发展中国家和大部分欧洲国家的反对率非常高。

Protesters at the 2010 anti-nuclear protest in Istanbul, Turkey

各国观点不一,然而大多数民众对核电持反对意见

Flickr/ anirvan

例如,墨西哥的被调查者在被问及它们是否"支持核电"作为一种发电方式的时候,81%的人表示反对,其中52%表示强烈反对。在阿根廷,反对率 是72%,巴西是69%。印度尼西亚(67%)、南朝鲜(61%)、南非(60%)、中国(58%)和沙特阿拉伯(58%)的反对率也很高。在发展中国家 里,只有印度的支持者占多数(61%)。

调查的结果当然取决于所使用的问题。当被问及他们是否把核能视为可行的长期选项的时候,印度的50%的被调查者说不;50%的人也不认为它是让 电力生产现代化的一种方式。其他发展中国家的被调查者对这两个问题全都给出了很低的赞同率,只有沙特阿拉伯是例外。在沙特,54%的被调查者认为核电是可 行的长期选项,这表明该地区对核电更乐观。

很明显,一些需要持续的、相对低碳的电力供应的发展中国家仍然认为核电是前方的道路,尽管它存在风险和动荡的过去。

核故事

民用核电来源于美国和苏联在第二次世界大战期间开发核武器的项目。这导致了20世纪60年代反应堆的大开发。

在20世纪70年代,这种技术传播到了中国、印度和日本等国,它们的民用核项目的开发受到了美国或苏联的支持。其他一些国家也采用了核选项,特别是阿根廷、巴西、墨西哥、南非和南朝鲜。

然而,在1979年,在美国三里岛核电站发生了一起重大核事故。这次事故再加上核电与其他能源选项(如煤炭)相比经济性不佳,这终止了美国新的 核电项目的开发。尽管核电站的净燃料成本比化石燃料发电站低,它的资本成本通常是后者的3倍,而且随着安全要求的增加还会增长。[3]

Nuclear warning sign by Flickr/ azkid2lt

核能计划在造成辐射危害的切尔诺贝利爆炸等重大灾难之后陷入了僵局。

Flickr/ azkid2lt

然后再1986年,在乌克兰的切尔诺贝利发生了更严重的和事故,数千人的死亡被归结于此次事故,尽管这个死亡数量仍然有争议。那时候,许多(但不是所有)欧洲国家放弃了核能。

在20世纪90年代后期,随着气候变化变成一个越来越大的问题,核工业试图恢复它的市场份额。在21世纪00年代初,在美国总统乔治·W·布什任期内,美国主导的全球核能伙伴关系项目致力于在发展中国家推广核电。

奥巴马总统已经放弃了这个项目,但是到21世纪00年代末,已经出现了由中国和印度领导的某种全球核复兴。在21世纪10年代初,一些欧盟国家已经扭转了它们的反核立场。俄罗斯拓展了它的项目,而美国正在寻求启动新的项目。

热衷于进一步拓展市场的一些核技术制造商也在注视着其他地方——例如南美洲,在那里,智利和委内瑞拉已经表示了感兴趣(俄罗斯答应帮助委内瑞拉),还有中东地区。

埃及在推广核选项方面是另一个主要参与者,再加上沙特阿拉伯和阿拉伯联合酋长国。卡塔尔、科威特和约旦也表达了对核能的兴趣。伊朗已经有了核项目,以色列也有,虽然这两个国家的核项目都很小。

核技术的双重用途

全世界大多数核电站是基于美国的压水反应堆(PWRs)的设计(见图1)。诸如沸水反应堆(BWRs)和其他一些类型(特别是俄罗斯的各种设计)较不常见。

一些更新的升级版本的压水反应堆正在出现,诸如法国的EPR和美国的AP1000。

大多数现代核电站的发电能力是1000兆瓦到1600兆瓦。更小的微型反应堆设计能提供20兆瓦到300兆瓦的功率。[4]

US Nuclear Regulatory Commission

图1 一个典型的压水反应堆的设计

来源: 美国核管理委员会

不论具体设计如何,它们运作的基础是相同的。铀矿石的一种稀有成分铀-235(U235)是铀的天然同位素中唯一能够在富集起来的情况下维持核裂变链式反应、产生大量热和辐射的同位素。这种热可以用于让水蒸气驱动传统的发电站使用的那种汽轮机,从而产生电力。

另一种放射性元素钚是核裂变的不可避免的一种副产物。它也是核武器使用的主要材料。但是U235在合适地浓缩之后也可以用于核武器。因此,为了制造核弹,你或者需要一个富集U235的"浓缩"系统,或者需要一个制造钚的核反应堆。

由于大多数反应堆需要稍微浓缩一些的铀才能运作,了解一个具体的浓缩活动是否被用于制造民用核电燃料还是核武器需要密切的监察。类似地,很难了解知道反应堆何时、是否被用于制造武器级的铀。

当然,大多数已知的核武器是在已经有了民用核电项目的国家制造出来的。考虑到技术上的重叠,大多数国家在1970年签署了《核不扩散条约》(NPT),该条约寻求控制这种技术的军事用途。

然而,印度没有签署该条约,而且已经自己制造出了核武器。巴基斯坦也是如此,据信,以色列也制造出了核武器。朝鲜最初签署了该条约,但是之后有一个漫长的履约的纷争,伊朗也是如此。

成本和危

核技术的民用和军用的重叠可能导致政治冲突,这是一个重大的缺点。但是还有其他缺点。

核电站要求投入大量资金,这部分是由于它们的复杂性以及高度安全的要求。尽管燃料成本比化石燃料发电站低,它们发出的电的成本可能更高,这取决于一系列的因素,包括贷款建设以及政府是否提供补贴。

表3展示了在公共部门资助(5%折扣)和私营部门资助(10%折扣)情况下对核电站和燃煤电站发电成本的估计。它们表现出了很大的差异,而且专家在如何充分表现不同的能源的社会和经济成本方面存在不同意见。

 5%折扣率,c/kWh
国家
核电
煤电
比利时
6.1
8.2
捷克
7.0
8.5-9.4
法国
5.6
-
德国
5.0
7.0-7.9
匈牙利
8.2
-
日本
5.0
8.8
韩国
2.9-3.3
6.6-6.8
荷兰
6.3
8.2
斯洛伐克
6.3
12.0
瑞士
5.5-7.8
-
美国
4.9
7.2-7.5
中国*
3.0-3.6
5.5
俄罗斯*
4.3
7.5
 
 10%折扣率,c/kWh
国家
核电
煤电
比利时
10.9
10.0
捷克
11.5
11.4-13.3
法国
9.2
-
德国
8.3
8.7-9.4
匈牙利
12.2
-
日本
7.6
10.7
韩国
4.2-4.8
7.1-7.4
荷兰
10.5
10.0
斯洛伐克
9.8
14.2
瑞士
9.0-13.6
-
美国
7.7
8.8-9.3
中国
4.4-5.5
5.8
俄罗斯
6.8
9.0

表3:经合组织的在5%和10%的折扣率的情况下的2010年发电成本预测(c/kWh)

来源:OECD/ IEA NEA 2010 [5]

而且新的项目的问题让成本估计无法实现。例如,在法国建造的一个1600兆瓦的EPR反应堆最初估计耗资33亿欧元,但是在长时间的建设延误之后,它看上去要耗资60亿欧元。[6]

处理产生的放射性废物以及让核电站在接近寿命末期的时候退役也很昂贵。有一些方案打算把非常长寿命的放射性废物放在深层地下储存,但是迄今为止 还没有一个这样的储存地点。在废料从核电站关闭之后的很长时间里仍然危险,核电站的运营寿命大约为40年。例如,钚的活性减少一半需要大约2.4万年。

Workers monitoring radioactive waste tank

安全地管理放射性废物花费高昂,并且需要先进的技术性的专业知识。

Flickr/ PNNL - Pacific Northwest National Laboratory's photostream

重大事故的风险是另一个主要的担忧——它们的社会和经济成本可能是巨大而持续的。例如,白俄罗斯估计,因为切尔诺贝利和事故造成的30年中的累积健康和社会影响造成的经济损失是2350亿美元。而且乌克兰政府5%到7%的开支仍然用于了与切尔诺贝利有关的救济项目[7]。

近来,日本经济研究中心估计福岛核事故的成本可能达到2500亿美元,包括对从该地区疏散的18万人的赔偿。[8]

正如福岛核事故所表明的,核电带来了重大的安全挑战——尤其是处理紧急情况以及发展技术能力从而安全地运营核电站及其相关基础设施,包括废物管理。

燃料的可利用度

也有燃料供应的问题。铀的主要矿藏在澳大利亚、加拿大、纳米比亚和哈萨克斯坦,而且据说按照现在的使用率足够使用70年。[9]

新发现的铀燃料和新的使用铀的技术可能会延长这个时间。例如,快中子增殖反应堆可能通过把此前成为废料的铀"增殖"成钚从而帮助扩大铀的储量。已经建造了一些原型堆,但是迄今为止这还是一种相对不成熟的技术,有潜在的安全问题。[10]

考虑到铀可能的短缺,一些国家正在探索使用钍,后者的储量是铀的3倍以上。一些原型堆已经存在了,而且印度和中国都在研究这个选项。

但是在更长的时期里,核裂变的前景不可避免地受到了有限的燃料供应的限制。因此核裂变不可能延长足够的时间从而永久取代化石燃料。这提示核能可能不是应对气候变化的最适合的选项。

应对气候变化的一个可能的选项是核聚变,因为核聚变所需的燃料所受的限制远远更少。某些聚变燃料(氘)可以从海水中获取,而氚可以用锂制取。

但是这不是一个可以立即实现的前景——核聚变目前是一个尚未充分开发的技术。它或者需要非常高的温度(大约2亿摄氏度),或者高功率聚焦激光脉 冲迫使原子核聚合并释放能量。迄今为止,尚未证明有可能用它产生比运行反应堆所需的能量更多的能量,或者让反应堆稳定运行的时间超过数秒。

热衷于核聚变的人士说,如果耗资数十亿美元的国际研究项目进展顺利,核聚变可能到2100年提供全球电力的大约20%[11]。但是这个目标并没有得到保证。

远远更成熟的是一些可再生能源选项,使用诸如风、潮汐和太阳等天然而无穷无尽的能量流。可再生能源已经提供了全球电力的20%(如果水电也计入其中),而且其迅速拓展的前景也很好——政府间气候变化委员会提出,到2050年可再生能源可能供应全球电力的77%。[12]

谁入选,谁淘汰

福岛核事故让核电走到了十字路口,正如切尔诺贝利事故之后的情况。

几个发展中国家已经放弃了核选项。日本已经决定放弃它的核电站延期计划,并且正在考虑完全淘汰核电站,而德国已经启动了一个淘汰项目——这两个国家正在转而支持可再生能源。

意大利也已经放弃了它的核计划,瑞士也是如此。甚至在传统上支持核电的法国也说它将会考虑到2050年全面淘汰核电。

发展中国家的图景更为复杂。中国正在重新评估它的核项目,而且考虑削减到2020年装机80吉瓦的正式目标。目前中国的核电占全部电力的不到2%,但是它已经打算到2020年增加到大约4%。尽管这是一个很小的比例,考虑到中国很大,这代表了一个非常大的项目。

但是要正确看待这个问题,就要考虑到中国打算到2020年从可再生能源和其他低碳能源选项中获得其总能源(不仅仅是电力)的15%。

印度是一个特殊的例子。由于印度不是《核不扩散条约》的缔约方,印度有时候发现很难从国外获取铀,这是由于对其获取核燃料的国际限制。然而,尽管存在强烈的当地反对,他们正在推进一个雄心勃勃的扩展计划,到2020年增加到20吉瓦。

在其它地方,东南亚、中国台湾和南朝鲜正在评估它们的核项目,而泰国和马来西亚放弃了它们的核规划。菲律宾政府说它可能把它的1亿英镑的核预算"重新导入"到可再生能源领域。但是越南已经决定推进它的到2030年建立14个核电站的规划。

在中东地区,沙特阿拉伯正在考虑一个1000亿美元的项目,到2030年建造16个新的反应堆。阿布扎比的首座核电站定于2017年启用,之后还有3座核电站。而土耳其也在抓紧实施它的核项目。然而,科威特如今说它不再希望走上核电的道路。卡塔尔也做出了类似的宣布。

在非洲,南非已经从核电中获得了6%的电力,而且已经打算扩展核电容量。但是金融危机已经导致它放弃了这些规划(至少是暂时放弃),并且放弃了它的先进的"球床"微型反应堆项目。

而且尽管南非看上去热衷于继续其核电项目,它也认为可再生能源能够在满足该国未来能源需求方面做出更大的贡献。

相比之下,肯尼亚看上去热衷于把重点专门放在核电上。它已经计划了一个数十亿美元的项目,如果实施,这个项目将在未来的15年里为该国提供大部分的电力。

这个核故事在发达国家和发展中国家都远远没有结束。在更长的时期里,新的核技术可能出现,它可能更安全而且更具成本效益,或许产生的废料更少,使用燃料更有效率。

按照目前的情况,替代方案是迅速部署可再生能源技术,其中一些技术已经得到了广泛使用。发展中国家在为其能源的未来考虑核选项的时候需要权衡目前的证据。

Dave Elliott是英国开放大学的技术政策终身教授

本文是福岛事故之后的核电专题聚焦的一部分。

References

[1] World Nuclear Association World Nuclear Power Reactors & Uranium Requirements (2011)
[2] Global Citizen Reaction to the Fukushima Nuclear Plant Disaster  [7.64MB] (Global Advisor, IPSOS, 2011)
[3]
UN Development Programme, UN Department of Economic and Social Affairs and the World Energy Council. World Energy Assessment: Energy and the challenge of sustainability (UNDP, 2011)
[4] World Nuclear Association Nuclear power reactors (2011)
[5] Nuclear Energy Agency Projected Costs of Generating Electricity 2010 (IEA/NEA, 2010)
[6] EDF delays Flamanville 3 EPR project (News, Nuclear Engineering International, 2011)
[7] GreenFacts Chernobyl Nuclear Accident(2006)
[8] News On JapanFukushima cleanup could cost up to $250 billion (2011)
[9] Uranium Resources and Nuclear Energy [404kB] (Background paper, Energy Watch Group, 2006)
[10] Cochran et al. Fast Breeder Reactor Programs: History and Status [1.46MB]. (International Panel on Fissile Materials, 2010)
[11] UK Atomic Energy Authority Fusion: A Clean Future (UK Atomic Energy Authority, 2007)
[12] IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation (SRREN) (2011)