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新一代核电站能否防止未来的事故 |
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作者：山根小雪 来源：日经BP社 |
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据称新一代核电站通过采用各种安全技术，具备了避免“严重事故”的功能。能够处置钚的反应堆也已问世。减轻最终处置负担也已成为可能。那么，今后能否避免再次出现如东京电力公司福岛第一核电站这样史无前例的大事故呢？
在2015年之前，投入相当于约300亿日元的资金，建设新一代反应堆的实证堆──中国在2011年公布了新一代反应堆“钍熔盐反应堆”实用化的日程表。还有消息说实证堆将在2030年建成，中国计划投资2000亿日元，其认真程度非同凡响。
日本东京电力福岛第一核电站发生大幅超出设计标准的大事故，也就是“严重事故”后，核电站的安全神话已然崩溃。在日本国内，面向未来减少核电站的“缩核电”时机日渐成熟。放眼世界，德国已经明确表示去核电。有着“核能文艺复兴”之称的核电站建设热潮似乎已大为降温。
而另一方面，中国和印度等能源需求有望增加的新兴市场国家依然对核电寄予厚望。福岛第一核电站建成于40多年前。在此期间，核电站的安全技术究竟进步了多少？今后建设的核电站能否避免严重事故？
即使遭遇严重事故也能自动停机
新一代核电站的开发大致分成两个潮流。一个是改造大部分已投入商用的反应堆，即“轻水堆”。另一个是中国瞄准的钍熔盐反应堆和原型快中子增殖堆“文殊”（日本福井县敦贺市）采用的“钠冷快中子反应堆”等，概念和原理不同于轻水堆的反应堆。
反应堆结构比较
从第1代到第3代均为轻水反应堆。压力容器中装满水，利用铀发生核裂变生成的能量产生蒸汽，进行发电。第2代中的BWR和PWR经改良后成为第3代。而第4代在结构和原理上不同于轻水堆。例如，钍熔盐反应堆使用的是在“熔盐”液体中加入了钍和钚的液体燃料。
首先从轻水堆看起。轻水是指普通的水。轻水堆是利用水吸收铀等核燃料发生核裂变时释放的能量，将其应用于发电的反应堆。
代表性的轻水堆有东芝、日立制作所、美国通用电气（GE）等企业制造的“沸水反应堆（BWR）”和三菱重工、美国西屋电气（WH）的“压水反应堆（PWR）”。
BWR的原理是在装有燃料的压力容器内充满水，水随着核裂变的进行而沸腾转化为蒸气。利用蒸气直接驱动涡轮发电。福岛第一核电站属于BWR。地震后，因为丧失外部电源导致水泵停机，压力容器内的水无法补充，燃料过热，从而引发了堆芯熔毁。
另一方面，PWR的原理也基本相同，不过，压力容器内的水虽然会达到高温高压，但不形成蒸气。而是通过热交换器，使名为“二级系统”的不接触燃料的水沸腾形成蒸气。
美国核管制委员会（NRC）根据建设时期等数据为反应堆划代（参照下图）。第1代是美国等国家在1960年代中期开发的实验堆。第2代之后为商用堆，建设于1990年代中期之前，以BWR和PWR为中心。福岛第一核电站也属于第2代。
第3代是把第2代之前的反应堆加大，通过配备多重水泵和电源等措施强化了安全功能的反应堆。其中将在今后建设的反应堆称为“3.5代”。正在开发属于此类的改良型PWR的三菱重工原子能技术部次长吉津达弘说：“为了应对地震，我们还在研究采用隔震装置。”
采用了“被动安全”的思路，在运转中发生事故时无需操作员经手，能够自动杜绝放射性物质飘散的反应堆也已问世。西屋的“AP1000”和GE日立核能的“ESBWR”在安全壳上方设置了巨大的水池。一旦容器内的温度急剧上升，阀门就会自动打开，在重力作用下向下喷水。从而冷却反应堆，预防严重事故的发生。
新一代核电站的另一个潮流是力争于2030年后投入的第4代反应堆。文殊的钠冷快中子反应堆和中国努力推进实用化的钍熔盐反应堆属于这一类别。
钠冷快中子反应堆的结构近似于PWR，但堆芯的冷却使用金属钠而不是水。燃料和轻水堆一样使用铀。如果使用铀钚混合氧化物（MOX），就可成为发电时燃料并不减少的“快速增殖反应堆”。
日本提出了实施“核燃料循环”的方针。轻水堆产生的乏燃料中含有能够作为核武器原料的钚和放射线水平极高的核裂变生成物，也就是常说的“死灰”。日本准备对这些乏燃料进行再处理，把铀和钚应用于快速增殖反应堆。核裂变生成物则进行分离，作为高水平放射性废弃物予以处置。
但是，进行快速增殖反应堆实证的文殊目前已经因故障而停机。而且，金属钠与空气接触后会起火，使用起来十分不便。再加上增殖堆需要耗费大量的开发成本，美国和英国等国家已经放弃，新兴市场国家和法国还在进行开发，而在日本围绕增殖堆的可否仍然争议不休。
日本政府或将在今年夏季发表新的“能源基本计划”。从核电的定位到核燃料循环，乃至快速增殖反应堆的开发方向，还在开展各种探讨。
而在钍熔盐反应堆方面，美国1970年代曾经完成过实验堆的运转。轻水堆当上主角后，钍熔盐反应堆曾一度远离了核电开发的舞台，但近年来又重新开始受到关注。除了中国的动向之外，不知如何处理轻水堆多年运转产生的钚的核电国家也开始表现出了兴趣。
可以应用于钚的处置
钍熔盐反应堆的特点是使用在名为“熔盐”的液体中加入了钍等物质的液体燃料。钍是开采稀土的副产物。中国等稀土开发兴盛的国家都在为如何处理数量庞大的钍而发愁。而且，其资源储量据说是铀的4～5倍。
在液体燃料中混合使用钚和核裂变生成物还有可能使二者消失，从而解决围绕钚的核不扩散问题和高水平放射性废弃物的处置难题。
熔盐不同于水，即便是高温环境，在容器内也为常压，因而不容易从容器中泄露。当检测到温度上升等情况后，阀门就会打开，使液体燃料落入反应堆下部的专用容器，从而中止反应。堆芯无需用水冷却，避免事故的成功率高。
但课题同样存在。东京大学名誉教授山脇道夫评论道，这种反应堆“虽然安全性高，但如果没有数百亿日元的开发经费，很难实现实用化”。因此“实用化进程快的有可能是美国微软公司创始人比尔?盖茨出资的美国TerraPower等拥有开发经费的企业的新型反应堆”。
TerraPower开发的是把通常的轻水堆无法使用的劣化铀作为燃料的“行波反应堆”。改良型轻水堆规模超大、成本昂贵，而且在有些国家和地区，生产的电力无法得到充分利用。着眼于这些市场，TerraPower等很多企业都在开发中小型反应堆。
东芝正在开发超小型钠冷快中子反应堆“4S”。目的是应用于海水淡化等设备。出厂时将配备可以使用几十年的燃料，无需补充燃料。从深埋于地下的使用方式来看，安全性似乎也非常高。
世界多个国家都在埋头开发新一代核电站。与福岛第一核电站建成的40年前相比，安全性有所提高。但世上不存在100％的安全。就算再怎样提高安全性，事故的风险也不可能为零。在今后应该怎样利用核电站？现在我们需要做的，是解开事故风险、成本、能源稳定供应、地球变暖问题相互牵扯的复杂方程式。（《日经商务周刊》记者：山根小雪）(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(2/8/2012) |
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