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核电那些事儿
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核电那些事儿
文 陈钊 冯竟超
2015年是中国核电建设的大年，中国核能行业协会预计年内将有6~8台机组开工建设，有8台核电机组投入商业运行，将成为投入商业运行核电机组最多的一年，成为核电重启的关键之年。截止目前，全球66座在建核电机组中有23座建在中国。按照世界核协会的预测，到2030年中国的核电机组将超过美国，成为世界上核电机组数目最多的国家。核能在中国的快速发展几乎是一个不可逆转的大趋势。
不管你支持还是反对，核能已悄悄的进入我们的生活。对我们大多数人来说，并没有必要去理解太多晦涩的专业词汇，但当核能进入我们的生活时，我们应当对它有多一点的认识和了解。更何况处于风口的核电股涨势很猛啊!
今天我们就来说一下“核电那些事儿”。
一．什么是核电
核能，是指原子核裂开（核裂变）或者原子核聚在一起（核聚变）时释放出来的能量。那么什么是核裂变，什么是核聚变呢？我们这样简单地理解一下。根据爱因斯坦的相对论，物体的质量可以转换成能量，它们之间的关系是产生的能量等于消失的质量剩于光速的平方（E=mc2）。我们知道光速是一个非常大的数值，而光速的平方更是一个天文数字。所以，只要有一点点质量的消失（这样表达并不太准确，但方便理解，具体内容可以查阅专业词汇质量亏损），就会有巨大能量的产生。原子核在发生核裂变反应（一个原子核分裂成多个原子核）或核聚变反应（两个原子核聚合成一个原子核）时，就会有质量的消失，从而产生巨大的能力。
图链式裂变反应原理图
核电站*，就是指利用核能来发电的电站。它的发电原理和火电站非常相似，只是以核反应堆替代火电站的燃煤锅炉而已。基本流程是，核燃料在核反应堆里发生裂变反应，所产生的热量将蒸汽发生器中的水加热成水蒸气，水蒸气驱动汽轮机转动，汽轮机带动发电机进行发电。采用不同的方法来控制核反应，以及采用不同的方法对核反应堆内的燃料进行冷却，就发展出了不同的反应堆堆型，如压水堆，沸水堆等。
图核电站发电原理图
*现在的核电站都是裂变电站，可控聚变能尚在科学研究阶段，距离商用发电还有一定的距离。
二．核电发展简史及现状
世界上第一座反应堆是1942年美国物理学家费米在芝加哥大学的操场上建成的，这是著名的曼哈顿计划中的一部分。第一座核电站于1954年在前苏联建成，但当时建造核电站属于最高军事机密，并没有进行商业应用。世界上第一座商用核电站是英国人于1956年建成。虽然英国人建的这座核电站功率非常小，但已成功实现了商业化，开启了核能商业应用的时代。
在人类成功掌握了核能发电技术之后，核电进入了一个黄金发展时期。从上世纪60年代初到70年代末，世界核电装机容量从1GW发展到了100GW（约100座现代核电机组）。从70年代末到80年代末的十年间，世界装机容量从100GW发展到了300GW，也就是说在这10年里全世界建造了大约200座核电机组。然而，核能的好景并不长。1979年，美国发生了三里岛核事故，1986年，前苏联发生了切尔诺贝利事故，世界核能瞬间掉入了深渊，停滞发展长达20年。
到了2005年左右，由于气候变暖问题的日益严峻和化石能源危机的逐渐突显，各国政府开始重新指定核能发展计划，其中最为雄伟的发展计划就来自中国。正当全世界开始准备迎接核能复兴的到来时，2011年3月11日，日本发生了福岛事故，核能又重新成为了一个敏感话题。
尽管如此，由于人类发展对能源的巨大需求，在时隔四年之后的今日，核电的大规模重启已紧锣密鼓的展开，历次核事故不会阻止人类选择核电，只会使我们在利用核能的同时更加关注核电安全，问题已经变成如何安全高效的使用核能，而不是要不要使用核能。
图3 世界核能发展历史
*表中数据不包括中国台湾地区，同类图中的数据均为2015年IAEA发布最新数据。
目前，世界上有443座核电，排在前三位的是美国99座，法国58座，日本48座，中国有27座，排在第五位。全世界核能发电占总发电量的11%，其中法国74.5%，美国19%，而中国只有2%。
从这些数据中我们可以看到，利用核能最多的是世界上最发达的国家。核电技术是一个国家工业水平的重要体现，能够大规模应用核能的也是世界上工业水平最高的国家，如美国、法国、日本等。
图国内在运行、在建及规划中的核电分布
图中可以比较直观的看出，我国核电主要分布在沿海地带，这主要是核电选址时基于安全问题的考虑。内陆有几个省份也提出了相应的核电规划，但近期内内陆核电批复的可能性不大。
*日本国内反应堆数量48座，因2011年福岛事故全部关停，因此目前核电比例暂时为0；
*表中数据不包括中国台湾；
*横坐标数据为百分比；
*表中数据来自国际原子能机构（IAEA）官方网站：
中国作为一个人口大国，能源消耗大国，目前核电占国内总发电量的比例还是相当低的，绝大部分的电力还是靠燃烧化石能源取得，一方面会造成很严重的环境污染，另一方面，如此失衡的能源结构也不利于我国经济的长期稳定发展。因此，大力发展核电，提高核电占比势在必行。
*表中数据不包括中国台湾
三． 为什么使用核电
核能是一种清洁的能源，核能发电过程中不产生二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物和灰尘等环境污染物。核电也是一种经济的能源，经过了几十年的发展，核电的发电成本基本与火电相当，甚至还要优于火电。
图1855-2009年间全球二氧化碳排放总量曲线图
核能的安全问题是我们现在最关注的一个问题。发达国家通过几十年的使用经验足以告诉我们，核能的安全性完全可以得到保障。美国学者研究表明，美国人每年来自核电站的辐射剂量只占其年平均辐射剂量的0.005%，这个剂量只相当于吃一只香蕉带来的辐射剂量（每吃一根香蕉，人体内会增加0.005毫克的放射性元素钾-40）[1]，而来自燃煤电站的辐射剂量占其年平均辐射剂量的1%[2]。从能源事故来带的人员伤亡情况来看，核能也是优于其他能源形式的。比如日本福岛核事故，虽然造成了大面积土地暂时隔离，几十人民众需要临时撤离，经济损失严重。但不可否认的事实是，如此严重的核事故并没有造成人员伤亡。而一个小煤矿事故，一个小输油管事故，就能造成几十人的死亡。如果我们再把化石燃料燃烧造成的环境污染问题算是的话，核能对人类安全的威胁是远远小于化石能源的。
事实上，美国大部分民众是支持核能的。调查发现，有70%的美国人支持核电，84%的美国人认为核能可作为未来电力的重要来源，70%的人会接受在最近的核电厂建一个新的反应堆[3]。
对于消费者来说，核电可以提供更加廉价的电力；对于环保主义者来说，核电是清洁的、低碳的能源；对于政府部门来说，核电是目前唯一一种可以大规模替代化石能源的能源形式。在化石能源逐渐枯竭，气候变暖问题和环境污染问题日益严峻的情况下，人类是不可能放弃核能的。
中国现在是世界上能源消耗最大的国家，但中国的总体发展水平还远低于西方发达国家。中国还需要继续发展，这也意味着中国还需要更多的能源。这么大的能源需求，我们靠什么来提供呢？据BP公司发布的世界能源观察报告，我国2012年一次能源消费总量为2735.2百万吨油当量/Mtoe，化石能源占90.9%，非化石能源只占9.1%，而化石能源中，煤炭占了68.5%。有一个事实我们必须强调一下，化石能源终究会有用完的一天。这个问题离我们并不遥远，可能是100年，也可能是200年，大概就会在我们的孙子那一代出现。如何应对化石能源枯竭的问题，是摆在政府面前的一个实实在在的问题。
表： 2012年世界各国一次能源消费结构
以煤炭为主的能源结构还带来了严重的环境污染问题和气候变暖问题。去年席卷大半个中国的雾霾天气已经让我们切身体会到了空气污染的严重程度。雾霾天气的最主要原因正是由于大规模使用化石能源而向大气中排放出来大量的污染物。而气候变暖问题可能离我们的生活比较遥远，但却是政治家关注的一个焦点。每年的联合国气候会议，各国政要都会如期出席。2009年的联合国气候变化峰会上，中国已经向世界承诺到2020年，非化石能源要占比达到15%，这并不是一个容易实现的目标。
核能，作为一种可大规模应用的清洁能源，对于解决中国的空气污染问题，调整国家能源结构以及实现清洁能源发展目标，都是具有极为重要的作用。
四．核电的关键问题：核废料处理，路在何方？
有人说核能是人类打开的又一个潘多拉之盒。除去核电可能发生的堆芯熔毁事故之外，最让人谈核色变的就是核废料问题了。
什么是核废料？
核废料，是指带有放射性的废料，它不仅产生于核电站中，也产生于核燃料生产加工、医院、同位素生产等领域。和其他工业废料相比，核废料最大的特点就在于带有放射性，其危害来源也正是放射性。根据放射性强度的不同，核废料可分为高放废料和中低放废料。高放废料主要来源于核电站燃烧后的核燃料，一般称为乏燃料。这些乏燃料由于在核电站堆芯中发生了裂变反应，具有很强的放射性。中低放废料则包括所有没有被列为高放废料的核废料，它主要来源于核电站使用过的工作服、手套、废弃退役的仪器设备，核燃料生产加工产生的废料和医院废弃的放射医疗设备等。
表： 核废料成分
类型 | 体积份额 | 放射性份额 |
高放废料 | ~3% | ~95% |
中低放废料 | ~97% | ~5% |
*数据来源：世界核协会（WorldNuclearAssociation）
核废料中大部分属于中低放废料，约占97%，在这97%的体积中，却只含有约5%的放射性，可以看出这些核废料放射性强度不高，危害较低。对于中低放废料的处理，国际上通行的做法是将其装入特质的容器，运到具有专门辐射防护工程屏障的处理厂，进行地下掩埋或焚烧。一段时间后，这些核废料中的放射性物质就会衰变成对人体无害的物质。这种处理方法经过几十年的发展，已经非常成熟，安全性也很有保障。
高放废料总量很少，只占核废料总量的约3%。有人曾做过比较，如果美国所有的电力都由核电站提供的话，人均产生的核废料只有39.5克，而如果美国所有的电力都由燃煤电厂提供的话，其人均产生的二氧化碳就有10吨，还不包括其他有污染的气体和粉尘颗粒。但是，在这极少量的高放废料中，却包含有约95%的放射性，而且半衰期长达几十万年。因此，如何处理这些高放废料，正是让各国政府和科学家伤透脑筋的事情。
令人头疼的高放废料
高放废料的危害之大在于其中含有多种对人体危害极大的高放射性元素，包括铀，钚，次锕系元素和裂变产物。
表二核燃料成分表
类型 | 使用前 | 使用后 |
铀 | 100%（富集度4.20%） | 93.4%（富集度0.71%） |
钚 | 0.00% | 1.27% |
次锕系元素 | 0.00% | 0.14% |
裂变产物 | 0.00% | 5.15% |
*数据来源：世界核协会（WorldNuclearAssociation）
上表列出了典型核电站乏燃料的成分。其中大部分是铀，这些铀是还没有燃烧完的核燃料，可以通过后处理工艺提取出来，再重新放到核电站中使用。目前，这项技术在法国已经实现了工业化，我国也开展相关研究。
其中的钚是由于铀原子吸收中子但没有发生裂变反应而产生的，这种元素同样可以通过处理工艺提取出来，做为核燃料使用。钚同时还是制造核武器的重要原料，当年投到日本长崎的“胖子原子弹”就采用了钚做内核材料。在理想假设中，只要有4千克钚原料（甚至更少），搭配复杂的装配设计，就可以制造出一个原子弹。所以，防止这些含有钚元素的高放废料被恐怖分子拿到，也是国际上防止核扩散的重要内容。
其中的次锕系元素，名字我们都很陌生，在日常生活中也不会见到，它们也是由核燃料中的铀原子吸收中子后没有发生裂变反应而产生的新元素。这些元素具有非常强的放射性性，而且它们的半衰期长达几万年到几十万年不等，也就是说存放了几十万年之后才能衰减掉一半。
剩下的就是裂变产物，包括锶-90，铯-137和碘-131等，这些名词可能很多人在日本福岛核事故的新闻报道中经常见到。这些元素都具有较强的放射性性，直接接触或吸入体内，会对人体器官造成伤害。不过，这些元素需要达到一定的量后，才会对人体造成伤害。日本福岛核事故发生后，科学家正式通过检测这些元素来判断周围环境是否受到污染的。
目前，世界上约有十几万吨高放废料，每年以约8000吨的速度增长。世界上高放废料存量最多的是美国，约5万吨，欧洲和亚洲分别是3.5万吨左右。我国目前高放废料存量还比较少，约1500吨，每年大约增加200吨。但是，随着我国核能的快速发展，这个速度是在逐年增加的。
解决方案
国际原子能机构对于核废料的处理和处置要求很严，尤其是高放核废料。安全和永久地处理核废料是两个必需的条件。高放废料的处理一般要经过两个阶段，分别是暂存阶段和长期处理阶段。从核电站中取出的乏燃料，放射性非常强，温度也非常高，无法立即进行处理。目前通行的做法是，在核电站里建造一座乏燃料水池，将刚刚取出的乏燃料通过机械设备运输到乏燃料水池中进行冷却。水是一种很好的冷却剂，同时又是一种很好的辐射屏蔽材料，将乏燃料放入水池中可以很安全。大约经过5年时间的水中存储，这些乏燃料的热量和放射性都降低到了可以操作的水平。这时候，就需要将这些乏燃料通过特质容器进行分装，进入长期处理的阶段。
核电站里的乏燃料水池
核电站卸出的乏燃料组件
封装后核废料
对于乏燃料的处理，目前有两种不同的技术路线，它们分别是“直接处置（Direct disposal）”和“再处理（Reprocessing）”。“直接处置”法是指将从核电站乏燃料水池中取出的核废料，直接进行封装固化，进行然后深地填埋。这种方法操作简单，而且可以防止核扩散。美国政府一直采取这种“直接处置”的措施来处理核废料。“再处理”法是指将乏燃料进行后处理，把其中可以回收利用的元素如铀、钚等提取出来，进行再利用，剩下的次錒系元素和裂变产物，再固化封装，进行最终处理。“再处理”法可以回收可利用的资源，提高核燃料的利用率。目前，法国、俄罗斯、日本等核能大国，都采用“再处理”法进行处理本国的核废料。不过，“再处理”方法也存在比较高的核扩散风险，这也正是美国政府一直不采用此方法的主要原因。
无论是采用“直接处置”还是“再处理”，都需要一个高放废料的最终处理方案。为了寻找安全处理高放废料的方法，人类从上个世纪50年代起就开始了相关研究。有人曾提出用火箭把高放废料送到太空中，或者把高放废物放置在南极或北极的冰盖上，由高放废料本身产生热量融化冰层，使废料桶最后沉到冰层底部等，但这些方法不是费用太高，就是在技术上无法实现，最重要的是它们都无法确保绝对安全，而这恰恰是高放废料处理的基本要求。经过多年的试验与研究，目前世界上公认的最安全可行的方法就是深地填埋的处置方法，即将高放废料保存在地下深处的特殊仓库中永久保存。
中国的雄伟计划
对于核废料的处理，中国政府和科学家从来没有怠慢。中国从1986年开始研究探索核废物地质处置。
v 2003年，全国人民代表大会通过了《放射性污染防治法》，为核废料的处理奠定了法律基础，并明确规定高放废物需要集中处置。
v 2006年，科技部等部门共同制定了《高放废物地质处置研究开发规划指南》，制定了一个三阶段的策略：到2020年选择处置库的场址，建成地下实验室；从2020年到2040年依托地下实验室，开展现场实验；2040年开始建造处置库，到2050年建成处置库。届时可以接收核废物，开始正式运行。
v 2010年，中国核工业集团和法国阿海珐集团签署协议，计划在中国西北地区建设一座年处理规模达到800吨的乏燃料后处理基地，工程造价预计达到2000亿人民币。
v 2011年，中国科学院启动了“创新2020”战略性先导科技专项“先进核裂变能—ADS嬗变系统”，计划投入数十亿人民币开展核废料嬗变处理的研究。核废料嬗变处理是指将原本准备进行深地填埋的高放核废料，放到一种先进的核能系统（ADS：加速器驱动次临界系统）中，采用高能中子轰击高放核素，进行嬗变处理。这种嬗变处理可以将高放废物的半衰期从几十万年减少至几百年。也就说原本需要存放几十万年的高放废料，经过嬗变处理后，只需存放几百年就可以了。如果能够按计划实施，届时中国将是世界上第一个建成此类装置的国家，核废料处理技术也将处于世界领先行列。
五． 核电的未来
短期：
国内，包括世界上其他的一些发达国家，大部分核电站都是使用的第二代核电技术或基于二代的改进型。中国目前新批复建设的机组均为第三代核电技术，包括美国西屋公司的AP1000，中核和中广核联合推出的ACP1000，又名华龙一号。核电代数主要是以核电的安全标准划分的，我们只需要知道越往后研发的核电越安全就是了，三代核电的堆型也主要都是压水堆。
中期：
第四代核反应堆国际论坛（GIF）成立于2001年7月，旨在领导先进的核技术国家，共同合作发展下一代核能系统，以满足世界未来的能源需求。2005年，这一特殊的国际合作组织取得了一个里程碑的突破，该论坛的5个成员国签署了世界上第一个开发国际先进的核能系统的协议。2002年，9个GIF创始成员国在瑞士加入GIF，欧洲原子能共同体于2003年加入。俄罗斯最近于2006年底加入了该组织。
表：第四代核能系统的特征
| 缩写 | 中子能谱 | 燃料循环 | 用途 |
超高温气冷堆系统 | VHTR | 热 | 一次 | 发电、制氢 |
超临界水冷堆系统 | SCWR | 热、快 | 一次/闭式 | 发电 |
熔盐堆系统 | MSR | 热 | 闭式 | 发电、制氢 |
气冷快堆系统 | GFR | 快 | 闭式 | 发电、制氢 |
钠冷快堆系统 | SFR | 快 | 闭式 | 发电 |
铅冷快堆系统 | LFR | 快 | 闭式 | 发电、制氢 |
长期：
相比较裂变能而言，聚变能有太多的优势：不会发生熔堆事故，根本上杜绝影响巨大的核电事故发生；清洁，不产生高放的核废料；取之不尽用之不竭的核燃料。但是聚变能的实现难度也比裂变能大的多。从上个世纪50年代开始，多少代科学家在聚变能的研发上倾尽自己的精力与智慧。然而，截止目前，聚变能的实现依然“可望而不可即”。
国际热核聚变实验反应堆，International Thermalnuclear Experiment Reactor(ITER)是是规划建设中的一个为验证全尺寸可控核聚变技术的可行性而设计的国际托卡马克试验。此项目预期将持续30年：10年用于建设，20年用于操作，总花费大约100亿欧元。“iter”在拉丁文中意为“道路”，因此这个实验的缩写“ITER”也意味着和平利用核聚变能源之路。由于耗资巨大，所以目前是欧盟，中国，美国，日本，俄罗斯，韩国，印度7方参与共建，是最大的国际科技合作组织[4]。
ITER实验的成功将会是实现聚变能商用发电终极目标的一个里程碑。将会一劳永逸的解决人类的能源问题。
参考资料
[1] CDR Handbook on Radiation Measurement and Protection
[2] National Council on Radiation Protection and Measurements No.92 and 95
[3] Perspectives on Public Opinion, NEI publication, June 2008
[4] http://zh.wikipedia.org/wiki/
[5] http://www.iaea.org/PRIS/WorldStatistics/OperationalReactorsByCountry.aspx
纪念切尔诺贝利30周年
https://blog.sciencenet.cn/blog-2470687-891345.html
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