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核能在未来低碳中如何发挥重要作用

  2019-07-10 20:11:29
核能在未来低碳中如何发挥重要作用   2010年2月,波士顿,冰雪覆盖之中。在一个堪称“末日暴雪”的日子里,麻省理工学院研究生迪万(Leslie Dewan)和马西(Mark Massie)拿到了他们的核工程资格证书。经过几个月夜以继日的奋战,他们终于迎来了一个短暂的休整期。“我们说,我们再也不用每天学习16个小时了。”迪万回忆道,“让我们去做一些新的、令人兴奋的事。” 2月过后,两人开始向市场推广不同类型的核反应堆―这些反应堆可以解决传统轻水反应堆所面临的一些问题,尤其是安全和核废料问题。“我们两人都自认为是环保主义者。在我们看来,核电是让我们远离化石燃料尤其是煤的最佳方式。”迪万说。 这是一种越来越被认可的观点。“作为一种清洁能源,核能在减少温室气体排放方面发挥着重要作用。”美国行业游说团体核能研究所(NEI)政策发展与供应商项目执行主任丹·利普曼(Dan Lipman)说。同核工业领域的很多人一样,他也希望气候问题的紧迫性能够重振核技术市场。 一些气候科学家和非营利组织也开始支持核能发展。虽然可再生能源越来越受重视,但其在美国能源组合中所占份额仍然较低,核电在电力总装机中的占比仅为13%。资源的间歇性、存储技术的不成熟、运行的可靠性以及土地征用等因素阻碍了可再生能源的发展。6月初,美国公布了一项重大减排举措,计划到2030年将发电站的二氧化碳排放量在2005年的基础上减少30%,而要想实现这一目标,不仅需要建立新的核电站,而且还要延长那些早在上世纪70年代就已建立的核电站的使用期限。 对于这些观点和主张,批评人士往往予以驳斥,表示成本、安全、废料管理和上市时间是大规模推广核能的主要挑战,且短期内无法克服。但事实果真如此?怎样才能让核能在低碳未来中发挥重要作用? 未来发展的关键 这些问题也正是迪万和马西经常自问的问题。到2010年夏天,他们已经确定了将要开展的“新的、令人兴奋的事”―利用熔盐反应堆打造低碳未来。早在上世纪 50年代,美国橡树岭国家实验室(ORNL)就已开始研发和测试熔盐反应堆。在当时被提议的反应堆设计中,该类型反应堆是最具发展前景的。 1964 年的一份发展报告为橡树岭国家实验室的熔盐反应堆试验项目奠定了基础。在这份报告中,项目主任R?比彻?布里格斯(R. Beecher Briggs)对该系统液体燃料设计的优点大加赞扬,比如较低的运行压力、被动冷却设计和较低的运行成本等。换句话说,熔盐反应堆可以提供廉价而安全的核能。 对于橡树岭国家实验室早年的研究发现,迪万和马西进行了长达数月的分析和研究,认为熔盐反应堆技术虽然面临尚待解决的难题,但当年该项目被叫停并不是因为无法攻克的技术挑战。事实上,在1973年撤销项目资助时,熔盐反应堆“已经取得了技术上的成功”。 据迪万和其他支持者表示,该项目之所以被叫停,一个主要的原因是,在生产钚元素方面,这种增殖反应堆并不是特别有效,而钚元素则是核武器计划所需的重要原料。时下来看,缺乏武器制造潜力已经成为该类型核反应堆的优点。有鉴于此,迪万和马西在2011年4月成立了原子能转换公司(Transatomic Power),致力于解决熔盐反应堆遗留下来的一些挑战。 “我们改变了一些材料,以让反应堆的结构更紧凑、功率密度更大、成本更低。”迪万说。此外,他们还发现了另外一个机遇:传统反应堆产生的核废料可以用于新设计的反应堆。在传统核反应堆中,固体燃料棒仅能释放4%~5%的能量。“核废料之所以危险,原因就在这里,很多能量都留在了里面。”迪万说。 原子能转换公司的发展愿景是回收并利用其他核电站的乏燃料,同时降低最终废弃物的放射量和放射强度。这种愿景为公司赢得了广泛的曝光度,而迪万也被《福布斯》、《时代》和《麻省理工技术评论》等知名出版物列入“年轻创新者”名单。 然而,就目前来看,这种发展潜力仍只能视为潜力。原子能转换公司的熔盐反应堆尚处在初步设计阶段,所有的测试工作几乎都是通过计算机模型完成的。公司的A轮融资规模可能会于今年夏末公布,而他们的构想也会从模拟阶段进入试验阶段。 原子能转换公司并非唯一值得关注的公司。实际上,时下的核工业正在经历一场复兴运动,新一代的企业家、科学家和倡导者纷纷表示,他们已经找到了降低成本且能提升核技术安全性和可靠性的办法。无论是初创公司如努斯卡尔电力公司(NuScale Power)和比尔?盖茨(Bill Gates)支持的泰拉能源公司(TerraPower),还是老牌公司如巴布科克?威尔科克斯公司(Babcock Wilcox)和霍尔台克公司(Holtec),它们都推出了各自版本的先进的反应堆设计方案。 房间里的大象 尽管这个行业有着看似光明的前景,但并不是所有人都像迪万那样充满信心。“行业的发展前景越来越不乐观。”美国忧思科学家联盟(UCS)高级研究员埃德温? 莱曼坦言,“核正在被边缘化。”创建于上世纪60年代末的忧思科学家联盟一直都对核电站的安全性表示担忧,但这并不是莱曼不看好核技术的原因。相反,他认为“核电面临的首要挑战是如何解决前期成本问题”。 下图有助于更好地了解核工业的现状。 该图显示的是2020年和2040年新建电站的预期成本。深蓝色部分表示建造新电站的前期成本,而这其中就有一个明显的异常值:天然气。 与其他类型的发电站相比,天然气发电站的建造成本非常低廉。此外,美国天然气产量的激增也导致国内天然气价格急剧下跌,而结果就是,天然气成为公用事业部门无法拒绝的一种供应源。对核电来说,这都是不利因素。 小型模块化核反应堆 小型模块化核反应堆(SMR)可以达到降低资本成本的目的。 支持者表示,他们可以打破阻碍核电发展的成本壁垒。这种新型的反应堆完全改变了传统核电站的规模经济理念。该类型反应堆包括多种设计,有些是普遍存在的轻水反应堆的改进型,有些则是更新奇的设计,但无论是何种设计,它们都有一个共同点:规模小。有些小型反应堆的装机容量仅为常规反应堆的十分之一。这样做的目的是降低前期建造成本,而随着公用事业部门用电量的增加,新的机组则可以迅速安装并投入运营。 “如果你要建造一座常规轻水反应堆,那么资本成本将会达到数十亿美元之巨。”美国爱达荷国家实验室(INL)国内核科技项目主任凯瑟琳?麦卡锡(Kathryn McCarthy)说,“而那些小型反应堆,每个机组的成本不过几亿美元,所以前期成本会大大降低。” 除成本优势外,小型模块化核反应堆还具有高效和预制零部件易批量生产的优点。“在我看来,它们就是"宜家式"的反应堆。”迪万开玩笑说。这是一个不错的类比,如果公司能够提供扁平封装的简易组装部件,那么小型模块化核反应堆应会受到公用事业部门的青睐。 对此,忧思科学家联盟的莱曼并不认同。“小型模块化核反应堆的市场需求几乎都是由卖主和倡导者凭空"创造"出来的,而公用事业部门对此并不感兴趣。”他说。在他看来,目前核技术并未取得实质性进展。那些致力于发展核技术的公司也承认目前市场需求疲软,且在成本方面无法与其他类型的电站竞争。不过,一向看好核电市场的迪万表示,这些障碍不会阻止他们前进的步伐,而随着天然气价格的回升,公用事业部门最终会倾向建造核反应堆。 “在天然气价格上升之后,其他能源将会更具吸引力,而公用事业部门也会寻求建立更广泛的能源组合。”她说。 核能研究所的利普曼持相同观点。“天然气价格的适度上涨会改变新的核能的部署。”他说。与此同时,比尔?盖茨支持的初创公司泰拉能源则把目光转向了国外市场。“很多国家和地区都希望通过核能来解决它们的能源需求,因为这种能源不会产生碳排放。”泰拉能源公司技术集成部门主管凯文?韦弗(Kevin Weaver)说。目前,泰拉能源公司正在俄罗斯、中国、印度、韩国和法国等支持核能发展的国家寻找机会,以部署它所设计的反应堆。 短期来看,面临成本问题的并不仅仅是这些新的反应堆设计。天然气价格的持续低迷甚至影响到了已建的电站。需要保养、升级和维修的老化核电站及燃煤电站不再受公用事业部门欢迎,因为它们也需要为投资者提供漂亮的财务报表。在电力需求增长放缓的当下,建造价格相对低廉的天然气电站是一个不错的选择。 在环境方面,天然气具有煤所无法比拟的优势―天然气电站的碳排放量仅为燃煤电站的60%,因而也备受青睐。两年前,位于加利福尼亚的2.2千兆瓦的圣奥诺弗核电站的蒸汽发生器发生故障。在经过一番检修之后,考虑到维修成本过高,电站运营商宣布永久关闭该电站。为填补由此产生的电力缺口,当局建议建造可再生能源电站(占比40%)和天然气电站(占比60%)。 最早一批核电站的设计寿命为40年。“这一决策并不是基于已知的技术缺陷做出的,背后有经济因素,也有反托拉斯的考量。”麦卡锡说。在40年的门槛临近时,国会授权将运行期限延长20年,而从目前来看,它们的运行期限很可能还会延长20年。 “因此,从长远看,核电站的成本并没有想象得那么高。这是一种非常实惠的能源,而且也非常安全。”麦卡锡说。 恐惧、不确定性和怀疑 美国最知名的核电站当属位于宾西法尼亚州中部地区的三哩岛核电站(TMI)。 恐惧、不确定性和怀疑是核能所面临的重大问题。在美国政治中,核技术有着极其复杂的历史,向来都与核扩散、战争、恐怖主义和国际政治连在一起。1979年,三哩岛核电站2号反应堆发生堆芯熔毁事故,而该事故也成为美国核工业发展的分水岭,阻碍了这个新兴产业的发展。 三哩岛核电站事故―迄今为止美国遭遇的唯一一次重大核事故―是由人为原因造成的。在该事件发生后的几个星期里,公众的忧虑一直没有消除。相反,由于运营方试图掩盖相关信息,忧虑情绪进一步加剧,而其所导致的结果就是,公众对核能失去了起码的信任。即便是在核能最受欢迎的时期―日本福岛核事故发生之前,美国国内支持建造新核电站的人口比例也不足60%。而今,多项民意调查显示,这一比例已经降低至50%以下。 但公众是不是高估了核电站的危险?的确,三哩岛核电站事故是一个糟糕的事故。但它到底有多糟糕呢? 三哩岛核电站未受损的反应堆目前仍在运行。2013年,该电站提供了668万兆瓦时的电力,足以满足80万个家庭的用电需求。此外,连续多年的追踪研究显示,当年的核事故并未对周围居民的健康状况(癌症和白血病发病率)产生显著影响。 “这是一个很有趣的事情。”麦卡锡说,“我们这个社会可以容忍煤矿事故,也可以容忍天然气爆炸事故,因为关于这方面的所有新闻,几天之后就会被人们抛之脑后。但核事故则不同,即便没有造成实质性伤害,它也会一直存在人们的脑海里。”

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