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首都科学讲堂第675期《核电流言知多少?》

信息来源:北京科学中心      发布时间:2020-12-13

  2020年12月12日,首都科学讲堂线上开讲,本次首都科学讲堂邀请了中国科学院电工研究所副研究员、北京工业大学兼职导师张子立,为大家带来题为《核电流言知多少?》的精彩讲座。

   

  核电流言知多少?

  近年来,“核电安全”频频成为社会热门话题,越来越多的人也开始谈“核”色变。人们不禁要问:核电是什么?我们为什么要发展核电?核电站的辐射很大吗?它真的会让人身患绝症或者不孕不育吗?核电站到底是造福一方的新型技术,还是隐忧重重的潜在危机?对核电的恐惧到底是悲观主义者的杞人忧天,还是出于理性的一种未雨绸缪?

  第一讲 不得不要——离不开的核能发电

   “能源危机”,这是一个近年来被频繁提及的话题。如今大多数人都已经意识到,不论是石油、天然气抑或是煤,人类主要使用的这些化石能源都是“有年限”的,总有一天会被“用完”。同时我们也发现,这些化石能源产生了大量的二氧化碳,加速了全球气候变暖,进而导致这些年极端天气频发,给人类造成了巨大的损失。所以我们渴望找到一种方法,既能帮我们解决能源危机,又能提供一种发展与减排并进的选择。

  为此,世界各国陆续签订了《联合国气候变化框架公约》、《京都议定书》和《巴黎气候协定》等协议,希望通过共同的努力,在发展的同时也能实现保护环境、遏制全球变暖的愿望。《巴黎气候协定》中更是明确规定,工业化之"后的全球气温较之"前不能超过2℃。尽管这一数值遭到很多政府的反对——在他们看来,2℃的标注过于激进会影响经济发展,但在学术界看来这2℃远远不够,全球气温升起来容易,降回去却很难。

  对于世界上大多数国家而言,发电还是二氧化碳排放的“大头”:相较于欧盟(20%)和美国(30%),我国发电还是以煤炭为主(55%),其次是水电,而我们今天的主题——核电的占比反而非常低。举例来说,法国是全世界核电发电占比最高的国家,核电占比约为72%,韩国占了30%,欧美等则保持在20%上下,只有中国,核电的占比一直徘徊在4%。尽管在技术上我们并不落后,但中国始终没有计划大力发展核电——截至2018年,全世界正在运行的机组有448座,中国只有45座,而在建的59座当中中国也只有11座。未来,我国也会始终将核电占比控制在5%左右,而这一数值远远低于美俄欧的20%-30%。

  谈到核电,我们就不得不提反应堆。所谓“一代堆”大部分是指实验堆,是最早一批的核电站,现在已经几乎见不到了;“二代堆”是现在最多的,根据冷却介质可以被分为轻水堆、重水堆和气冷堆,世界上95%的反应堆都是轻水堆,压水堆和沸水堆则是轻水堆中最常见的两个类型。轻水堆一旦没有流水降温,它的温度就会升高并产生一系列连锁的恶性反应,这就是核电站最怕出现的问题——失冷。为了防止反应堆失冷,增强核电站的安全性,人们在“二代堆”的基础上又提出了“三代堆”。从本质上看,“三代堆”在堆型上几乎跟“二代堆”没有太大差别,真正从反应堆构造就有所区分的只有“四代堆”,但后者目前多数还停留在实验室阶段。

  人们之"所以选择核电,一方面是因为它的能量密度大、燃料体积小;另一方面是看重它几乎不会污染空气,有利于节能减排。加之"原料占运营成本低,发电成本稳定,这些都让核电在一些国家广受欢迎。然而它的缺点也很明显:如何妥善处理乏燃料是核电目前最棘手且无法规避的问题,其次核电的热效率很低,热污染也较为严重;第三,建造核电站的一次性成本太大,并附带了很多复杂的社会政治因素,导致人们对它的安全性一直充满疑虑。

  第二讲 习焉不察,谈谈生活里的辐射

  在解答与核电站有关的辐射安全之"前,我们需要先正确认识辐射。日常我们所说的辐射大多时候指电磁辐射,根据频率或者说是波长的变化,可以被分为无线电波、微波、红外、可见光等很多种,最常见的就是人们每天都能看到的可见光。那么,我们该如何评判一种电磁辐射对人是否明显有害呢?要看它的频率且仅跟它的频率有关,跟照射强度、照射时间都没有关系。换句话说,只要它的频率不过警戒线,对人体基本不会造成明显的危害。

  对于辐射安全,我们其实有着很大的误解。首先,中国在电磁波强度单位的标准制定上,本身就比国际标准要严苛——欧美日的标准一般是100瓦/平方米,而我国的标准是0.4瓦/平方米;其次,多数人其实并不真正了解辐射,存在着很大的认知盲区。譬如手机,一些人只知道它在接通的一刹那辐射很高,却不知道只要接通了,它的辐射就小于0.4瓦;对于辐射只有0.07瓦的WiFi,甚至是电磁炉、微波炉这些辐射几乎都测不出的事物,大家都特别担心,反而对功率最大的电磁辐射——日光“视而不见”。要知道,日光的电磁辐射将近1000瓦,远大于任何你能看到、“担心”到的辐射。

  前几年网上有一种谣言说,中国高铁虽然发达但是辐射也大,会让人“不孕不育有损健康”。事实上,高铁用的是50赫兹的工频电,远远达不到警戒标准——1015赫兹频率以上。还有人担心住在高压电线旁会对身体有害,其实高压线“高”的只是电压而非频率,这种担心完全是多余的。类似的还有防辐射孕妇服,复旦大学发布了研究结果,证实了穿孕妇服和不穿孕妇服对胎儿的畸形率没有统计学的意义。换句话说,穿这种衣服能防住的“辐射”都对胎儿没有影响,真正有害的譬如X射线,穿这种衣服压根也防不住。

  当然,在评定电离辐射对身体的伤害时我们还需要参考剂量。人们发现,当累计辐射量达到400毫西弗时,对男性的生殖器官才会造成最大损害,这相当于健康人一口气做了80次腹部CT,拍了2万次胸片。也就是说,即便是日常去医院做个CT、拍个X光,这种辐射剂量都不会对人体造成明显损伤。

  当我们谈核电辐射安全时其实是从技术安全和社会接受度两个角度来理解的,毕竟技术上安全和人们认为的“核电达到了安全标准”是有很大差距的:在技术上,美国1982年就提出了“两个千分之"一”的安全标准,这个标准世界上所有核电站都能做到,但还是有很多人认为核电危险,要求核电只有做到“100%安全”才算安全。然而不只是核电,甚至是水电风电等任何设施和工程都不可能也没必要做到100%的安全,通过人工设计将故障率降低至人为的误差以下才是对“安全”的理性认识。

  第三讲 天灾还是人祸?被误读的核事故

  不可否认,尽管核电技术是安全的,但也会存在发生核事故的可能。

  国际原子能组织将核事故分为七个等级,在理论上,一些文件中会将1-4级的事件称为“核事件”而非“核事故”,这是因为4级以下的影响只局限于厂内甚至是反应堆内,只有5-7级的核事故才会真真正正地波及周边环境。值得一提的是,并不是所有的核事故都发生在核电站内,凡事都有例外——1987年巴西发生过一起5级核事故,一家医院在报废放疗机时并没有按要求处理,而是直接将报废机器送到了废品厂。这场核事故最后导致一百多人受到了超剂量辐射,4人因此死亡。

  那么,那些发生在核电站的核事故到底应该算是天灾还是人祸呢?通过复盘三里岛核事故和切尔诺贝利核事故,我们或许可以好好反思一下。

  先说说三里岛事件:1979年3月28日凌晨,美国宾州的三里岛核电站二号机组发生了事故,造成事故的主要原因是机组的二回路水泵坏了。按照设计,在出现这种情况时核电站的备用泵会自动启动,但是在之"前的定期检修中,工作人员检修完毕后却忘了打开阀门。这一连串的“不小心”直接导致备用泵虽然启动了,但是阀里没有水,进而使一回路的温度持续爬升。随着一回路温度越来越高,冷却水进入气态,压力壳容器中压力开始升高,从而触发了泄压阀,开始释放压力。但是泄压阀并没有自动归位,进而导致一回路中出现失冷现象。此时应急冷却系统开始向一回路补充冷却剂。如果只是一些技术故障其实还能补救,但更要命的事情发生在之"后——操作人员因为慌乱,竟然手动关闭了自动启动的应急冷却系统,险些酿成大灾难。

  在后续的调查中人们意识到,三里岛核电站的主控面板存在着巨大的设计缺陷——报警系统不区分等级,一旦出现问题,主控面板上100多个灯会跟警鸣一同狂闪,犹如“火上浇油”般干扰操作人员的临场判断。

  至于切尔诺贝利,事情就更复杂了:1986年4月26日,当时人们正要关机检修切尔诺贝利的4号机组,结果机组的总工程师突然提议,想借机检测机组的应急冷却系统。尽管没有准备任何应急预案,尽管机组因为建造太早,必须在手动关闭安全系统之"后才能做这个实验,但人们依然决定“大胆尝试一番”——哪怕这是一个鲁莽冒进、漏洞百出的计划。事后官方给出的数据显示,除了当场死亡的31个人,这场相当于一起向欧洲投射了400枚原子弹的核事故,最终导致近16.5万人残疾。时至今日,其周边30公里的范围内依然是生命禁区,100公里范围内禁止农牧发展,直接经济损失超过20万亿美元。

  值得一提的是,在面对如此重大的人祸时,虽然明知前方凶多吉少,但仍有一大批抢险人员选择冲进现场进行抢救。正是有了他们的无畏付出,这才有了今天尚有挽回余地的切尔诺贝利。相比之"下,反而是一直不被正视、长期无法得到妥善处理的福岛核电站,或许才潜藏着巨大的危险。

  回顾过去,无论是三里岛核事故还是切尔诺贝利核事故,虽然都存在设计问题,但人为主观操作失误始终是酿成悲剧的关键。

  第四讲 “不吹不黑”,理性认识核电

  这些年,核电站经常被妖魔化,像“核电站建在海边是为了方便直接排放污水”这种谣言,事实上,很多核电站并没有建在沿海地区,而是选择建在内陆,而那些选择建在海边的核电站更多的是为了方便排热,绝非排污。

  自从美国发生9·11事件后,还有人担心核电站的安全,提出“如果遇到袭击,核电站被撞了要怎么办”的质疑。暂且不说一般的核电站也就只有70米高,就从核电站本身的设计来说,它们不仅会在外面“穿”一层安全壳——1米厚的钢筋混凝土,而且内部的钢筋含量一般也都在110千克上下,比世贸大楼几乎多出50千克。也就是说,如果世贸大楼是一根“又细又高”的木棍,那么核电站就是一个“又矮又胖”的木墩,想从天上用飞机来撞击它着实不易。

  然而还有人不放心,认为不能排除这种被恐袭的几率,为此,其实各国在9·11事件后也都有所考虑,加强了对自己国家核电站的保护,比如给它多“穿”一层安全壳——你撞坏一个,里头还有一层保护。至于核电站会不会变成蘑菇云,从理论上讲,核电站的核心组成无论怎么撞、被撞成什么样,就算是从内部破坏它,都不会引发一场“蘑菇云”。究其原因,核弹爆炸的前提是小范围、大剂量,且需要以95%以上的浓缩铀为燃料,而核电站用的不是浓缩铀而是铀。一般来说,核电站所用铀的含量约为4%,虽然不同堆型会略有不同,但想用飞机袭击让这4%的核燃料发生核爆几乎是不可能的。

  到此为止,核电站的外界风险因素我们解释完了,那内部危机呢?恰如反对者所认为的那样,因为放射性物质能保持百万年,所以建造核电就是饮鸩止渴,是“长远角度祸及子孙的选择”。事实果真如此吗?

  首先我们要承认,乏燃料的放射性的确能保持百万年,甚至百亿年都不成问题——乏燃料棒中主要的材料是铀238,它的半衰期是45亿年,十个半衰期就是450亿年,也就是说一个乏燃料棒能持续辐射450亿年,这是不是很可怕?恰恰相反:衡量一个放射性物质是否有危害,主要看的是它的放射性活动,放射性活动越高的东西实际上半衰期越短,半衰期越长的物质反而危害越小。

  举例来说,如果有1克的放射性物质,它在一天就会衰变一半,那么十天内就会全部衰变完,用最简单的计算来看的话,你每天接受的辐射量差不多是1/10,如果衰变的时间更长,那么你每天受到的辐射量就更小。正因如此,我们时常会看到核电站的工作人员戴着手套就可以操作燃料棒。然而,我们同时也要记住,乏燃料棒中也有大量中短裂变产物和长裂变产物,这些东西是能够对人类造成危害的,这也就是为什么每次取出乏燃料棒后,我们还得把它在水里继续放十年,其目的就是要把这些中短裂变产物放没。

  简而言之",乏燃料棒并没有那么可怕,但也不是不可怕。目前,全球都在研究如何更好地处理乏燃料棒,例如通过水内静置去除掉中短裂变产物,或是尝试通过后处理,将元素分离出来后再去更好地固化静置。

  福岛发生核事故后,围绕核电站的发展一直争议不断。人们不禁要问,全球真的对核电因噎废食了吗?不然。目前,除了个别国家及地区,全球多数国家已经拥有并且还在兴建新型的核电站,这其中既有中、美、英、法、俄,也包括巴西、印度、阿根廷等重要的发展中国家。对于部分不再扩建核电站的国家,要么是因为现有需求已经能基本满足了,要么是因为本国的特殊国情:作为一种密度非常高的能源,核电最适合像日本这样地狭人稠的国家,而澳大利亚这种地广人稀的国家自然不需要,而像挪威和冰岛这种仅靠水电和地热就已经能做到90%以上可再生能源覆盖的国家,自然不需要再投入大量的财力物力来发展核电……可以说,不管是曾深受切尔诺贝利影响的白俄罗斯,还是燃油发电都比核电便宜的阿联酋,发展核电站如今被多国视为事关国家级能源安全的重要问题。

  中国是对核电的安全最重视的国家之"一,早在2014年3月,习总书记就在海牙首次提出了中国核安全观,提出发展与安全并重、权利与义务并重、自主与协作并重、治标与治本并重。两年后,我国出台了中国第一本核应急白皮书,同年,核安保示范中心、核应急救援队陆续建成,随着《中华人民共和国核安保条例(征求意见稿)》《核电管理条例(送审稿)》《中华人民共和国核安全法》以及《原子能法(征求意见稿)》等政策文件的出台,可以说,我国正在核电依法治国的道路上大步前进。

  当可再生能源尚不能在全球挑起大梁的情况下,发展核电虽然不是最佳的选择,但作为一种可接受的选择,它着实是我国清洁能源当中一个必不可分的重要组成。