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財經 | 產業動態

新一代核電廠真的安全嗎?

撰文者:山根小雪
日經科技報 2012.02.10 26,414
四代核電反應爐
(來源:日經技術在線)

--本文由日經BP社日經 Techon logo特別提供

據稱新一代核電廠透過採用各種安全技術,具備了避免「嚴重事故」的功能。能夠處理鈽的反應爐也已問世。減輕最終處理負擔也已成為可能。那麼,今後能否避免再次出現如東京電力公司福島第一核電廠這樣史無前例的大事故呢?

中國在2011年公佈了新一代反應爐「釷熔鹽反應爐」實用化的日程表,打算在2015年之前,投入相當於約300億日元的資金,建設新一代反應爐的第三階段實證爐。另外還有消息說,實證爐將在2030年建成,中國計劃投資2000億日元,認真程度非同凡響。

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日本東京電力福島第一核電廠發生大幅超出設計標準的大事故,核電廠的安全神話已然崩潰。在日本國內,未來減少核電廠的「縮核電」時機日漸成熟。放眼世界,德國已經明確表示去核電。有著「核能文藝復興」之稱的核電廠建設熱潮,似乎已大為降溫。

但另一方面,中國和印度等能源需求增加的新興市場國家,依然對核電寄予厚望。福島第一核電廠建成40多年前。在此期間,核能發電的安全技術究竟進步了多少?今後建設的核電廠能否避免嚴重事故?

核電廠反應爐的四個世代

一代核電廠的開發大致分成兩個潮流。一個是改造大部分已投入商用的反應爐,即「輕水反應爐」。另一個是中國瞄準的「釷熔鹽反應爐」,和「原型快中子增殖爐『文殊』」採用的「鈉冷快中子反應爐」等,概念和原理不同於輕水反應爐的反應爐。


反應爐結構比較表:從第1代到第3代均為輕水反應爐。壓力容器中裝滿水,利用鈾發生核裂變生成的能量產生蒸汽,進行發電。第2代中的BWR和PWR經改良後成為第3代。而第4代在結構和原理上不同於輕水反應爐。例如,釷熔鹽反應爐使用的是在「熔鹽」液體中加入了釷和鈽的液體燃料。

首先從輕水反應爐看起。輕水是指普通的水。輕水反應爐是利用水吸收鈾等核燃料發生核裂變時釋放的能量,將其應用於發電的反應爐。 

代表性的輕水反應爐有東芝、日立製作所、美國通用電子(GE)等企業製造的「沸水反應爐(BWR)」和三菱重工、美國西屋電子(WH)的「壓水反應爐(PWR)」。 

BWR的原理是在裝有燃料的壓力容器內充滿水,水隨著核裂變的進行而沸騰轉化為蒸氣。利用蒸氣直接驅動渦輪發電。福島第一核電廠屬於BWR。地震後,因為喪失外部電源導致水泵停機,壓力容器內的水無法補充,燃料過熱,便引發爐心熔毀。 

另一方面,PWR的原理也大致相同,不過,壓力容器內的水雖然會達到高溫高壓,但不形成蒸氣。而是通過熱交換器,使名為「二級系統」的不接觸燃料的水沸騰形成蒸氣。 

美國核管制委員會(NRC)根據建設時期等數據為反應爐劃代(參照下圖)。第一代是美國等國家在1960年代中期開發的實驗堆。第二代之後為商用堆,建設於1990年代中期之前,以BWR和PWR為中心。福島第一核電廠也屬於第二代。 

第三代是把第二代之前的反應爐加大,透過配備多重水泵和電源等措施強化了安全功能的反應爐。其中將在今後建設的反應爐稱為「3.5代」。正在開發屬於此類的改良型PWR的三菱重工原子能技術部次長吉津達弘說:「為了應對地震,我們還在研究採用隔震裝置。」 

採用了「被動安全」的思路,在運轉中發生事故時無需操作員經手,能夠自動杜絕放射性物質飄散的反應爐也已問世。西屋的「AP1000」和GE日立核能的「ESBWR」在安全殼上方設置了巨大的水池。一旦容器內的溫度急劇上升,閥門就會自動打開,在重力作用下向下噴水。從而冷卻反應爐,預防嚴重事故的發生。 

新一代核電廠的另一個潮流,是力爭在2030年後投入的第四代反應爐。文殊的鈉冷快中子反應爐和中國努力推進實用化的釷熔鹽反應爐,皆屬於這一類別。

鈉冷快中子反應爐的結構近似于PWR,但爐心的冷卻使用金屬鈉而不是水。燃料和輕水反應爐一樣使用鈾。如果使用鈾鈽混合氧化物(MOX),就可成為發電時燃料並不減少的「快速增殖反應爐」。 

日本提出了實施「核燃料迴圈」的方針。輕水反應爐產生的用過核燃料中含有能夠作為核武器原料的鈽和放射線含量極高的核裂變生成物,也就是常說的「死灰」。日本準備對這些用過核燃料進行再處理,把鈾和鈽應用於快速增殖反應爐。核裂變生成物則進行分離,作為高放射性廢棄物予以處置。 

但是,進行快速增殖反應爐實證的文殊目前已經因故障而停機。而且,金屬鈉與空氣接觸後會起火,使用起來十分不便。再加上增殖爐需要耗費大量的開發成本,美國和英國等國家已經放棄,新興市場國家和法國還在進行開發,而在日本圍繞增殖爐的可否仍然爭議不休。 

日本政府或許會在今年夏季發表新的「能源基本計劃」。從核電的定位到核燃料迴圈,乃至快速增殖反應爐的開發方向,還在開展各種探討。 

而在釷熔鹽反應爐方面,美國1970年代曾經完成過實驗爐的運轉。輕水反應爐當上主角後,釷熔鹽反應爐曾一度遠離了核電開發的舞臺,但近年來又重新開始受到關注。除了中國的動向之外,不知如何處理輕水反應爐多年運轉產生的高放射性鈽的核電國家,也開始表現出興趣。

最新一代反應爐 可用來解決高放射性廢料難題

釷熔鹽反應爐的特點是使用在名為「熔鹽」的液體中加入了釷等物質的液體燃料。釷原本是開採稀土的副產物,過去,中國等稀土開發興盛的國家,都在為如何處理數量龐大的釷而發愁。而且,其資源儲量據說是鈾的4~5倍。

在液體燃料中混合鈽和核裂變生成物,還有可能使二者消失,從而解決鈽的核不擴散問題,和高放射性廢棄物的處置難題。

熔鹽不同於水,即便是高溫環境,在容器內也為常壓,因而不容易從容器中洩露。當檢測到溫度上升等情況後,閥門就會打開,使液體燃料落入反應爐下部的專用容器,而中止反應。爐心無需用水冷卻,避免事故的成功率高。

但課題同樣存在。東京大學名譽教授山脇道夫評論道,這種反應爐「雖然安全性高,但如果沒有數百億日元的開發經費,很難實用化」。因此「實用化進程快的有可能是美國微軟創辦人比爾蓋茲出資的美國TerraPower等擁有開發經費的企業的新型反應爐」。

TerraPower開發的是把輕水反應爐無法使用的劣化鈾作為燃料的「行波反應爐」。改良型輕水反應爐規模超大、成本昂貴,而且在有些國家和地區,生產的電力無法得到充分利用。著眼於這些市場,TerraPower等很多企業都在開發中小型反應爐。

東芝正在開發超小型鈉冷快中子反應爐「4S」。目的是應用於海水淡化等設備。出廠時將配備可以使用幾十年的燃料,無需補充燃料。從深埋於地下的使用方式來看,安全性似乎也非常高。

世界多個國家都在埋頭開發新一代核電廠。與福島第一核電廠建成的40年前相比,安全性是提高了。但世上不存在100%的安全。就算再怎樣提高安全性,事故的風險也不可能為零。在今後應該怎樣利用核電站?現在我們需要做的,是解開事故風險、成本、能源穩定供應、地球變暖問題相互牽扯的複雜方程式。(《日經商務週刊》記者:山根小雪)

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