新能源、核事故夹击,核电何去何从

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2021年4月27日,乌克兰切尔诺贝利,国际原子能机构总干事格罗西(右一)参观切尔诺贝利核电站

  十年前,“3·11大地震”伴随剧烈海啸,淹没了福岛第一核电站,引发了继1986年切尔诺贝利事件后最严重的核事故。十年后,日本政府决定将福岛核电站的废水经过滤和稀释后排入太平洋,居民、渔民、环保组织和邻国抗议四起。
  数十年仍难解决的福岛核事故,促使全球重审能源安全,同时仔细评估能源的可获得性、可靠性、成本效益之间的微妙平衡。在形形色色的新能源和环境保护主义的夹击下,核电的“去留”,其实并不仅仅与道德呼吁相关。

燃料选择


  电力行业的燃料选择,基本上属于“百花齐放”。石油、煤炭、天然气、核能、水力、太阳能和风能,没有谁能达到垄断的程度。目前大部分国家使用煤炭,天然气正逐渐受到青睐。特别依赖核能的只有少数几个国家:法国70%左右的电力来自核能,比利时和斯洛伐克超过一半的电力来自核能,在乌克兰,这个数据是将近50%。
  在这个“百花齐放”的能源版图里,被称为绿色能源的水力、太阳能、风能,也包括生物能,能量密度非常低,而且也不怎么“绿色”。
  风力发电要看风的强度,基本“靠天吃饭”。全球風力发电比例最高的国家是丹麦,实际发电比率平均只有15%。丹麦的电力系统和国外联通,以便平衡风电的不稳定性。正因如此,丹麦的家庭用电价格不便宜,十年前就达到了全球最贵水平。
  太阳能和风能类似,一天总有一半左右的时间发不了电。中国台湾在北回归线附近,光照时间算长的了,太阳能发电平均每平方米还不到1千瓦。生物能,以利用玉米生产的燃料乙醇为例,乙醇虽然能当汽油的替代品和添加物,但用玉米的代价可不低—刺激价格疯涨,加剧全球粮食短缺。
  太阳能电池板,生产和报废过程都含有有毒物质。生产时需要氢氟酸、三氟化硼、砷、镉、碲、硒等化合物,它们均对人体有害。电池劣化后,其中的硫化镉污染土地,致死率超过核废料几千倍。而就像大面积太阳能板会挤占绿地、庞大的风电叶片会改变相邻地区的生态环境,水力发电由于大坝隔断水流,也会影响下游的河川生态。
  传统燃料煤炭、天然气,能量密度虽然够,但污染很大。天然气过去曾被认为是清洁能源,因为它不像石油或煤炭那样燃烧时产生大量粉尘/固体颗粒和复杂烃。但它却不怎么低碳,因此在应对全球变暖的语境下遭到绿色能源的排挤。
  从温室气体二氧化碳的排放来看,以克/千瓦时为单位,水能为2~48,核能为2~59,风能为7~124,太阳能为13~731,生物能为15~101,天然气为389~511,现代燃煤为790~1182。其他诸如二氧化硫、二氧化氮的排放数据,与此类似。仅在悬浮粒子方面,生物能排放数据一举超越了天然气。
  相比之下,核能是现有能源中成本效益最高的能源,能量密度又高,运行期间污染又小,一旦把造价分摊到使用年限上,也没有那么不可负担。但它的最大缺点是,一旦发生事故,就会引发民众的巨大恐惧,从而影响政治局面、国际关系和政权合法性。

战略考量


  核能发展所面临的最大阻碍,不是技术问题,而是政治问题和资金问题。或者说,是一种综合了资源禀赋、国家安全、能源安全、成本效益和民意的战略问题。
  三哩岛、切尔诺贝利和福岛三大核事故,从某种意义上来说,只是延缓了那些想建设核电站的国家的脚步,但不可能从根本上动摇它们的战略决策。除了日本因福岛核事故发生时间较近,而暂停一切核电站建设外,其他两个事故发生国美国和乌克兰,都没有停止发展核电。
核能是现有能源中成本效益最高的能源,能量密度又高,运行期间污染又小,一旦把造价分摊到使用年限上,也没有那么不可负担。但它的最大缺点是,一旦发生事故,就会引发民众的巨大恐惧。

  根据世界核能协会的分类,每一种类别中都有一些国家具有代表性。
  “使用核电、计划增建核电机组”这一类中,美国已经批准了新的核电建造申请。虽然美国拥有储量丰富的页岩油气,但开采必须钻入地下岩层,再用掺入化学物质的强力水压将岩石层压裂,才能吸收释放出来的天然气或石油。2011年美国俄克拉荷马州发生近60年来规模最大的5.6级地震,就有专家指出和开采页岩油气有直接关系。另外,页岩油气的开采也对水质、大气造成污染,法国和保加利亚明令禁止使用压裂法开采。
  英国也已经批准了新的核电建造申请。据绿色和平组织的道格·柏尔说,英国在乎电价和稳定供电,远胜于电能的来源。
  法国的能源政策有三条准则:确保国家能源独立且安全地供应;有效防止温室效应;确保电价稳定且具有竞争性。实践下来,就是发展核电。法国核电技术和核工业均为全球龙头,其核电占电力来源七成,还经常卖电给德国。
  1973年第一波石油危机,法国深受其害,当时就有“四个零”的说法—法国石油、煤、水力、天然气蕴藏极其匮乏,跟没有差不多。法国让公众决定,是继续依赖不稳定的进口能源,还是发展核电为“准自产能源”。结果不言而喻。法国能源部门40多年来,一直持续每年邀请10万公众参观各地核电厂。如今,法国公众可随时通过互联网查看邻近核电厂的运转数据。所以,福岛核事故发生后,法国民意支持核电的比例一点没减少。
  1973年时,法国能源自给率是26%,现在则超过50%。当然铀还是需要进口,不过可以从曾为法属殖民地的非洲国家获取,国际铀市场的限制也没有石油市场那么多;而且,法国也相当精打细算,铀的浓缩、加工、燃料制造、“后处理”等,国内都能一条龙搞定。法国还由此当上了世界第一电力出口国,15%的电都卖给了几个邻居,卖电年获利超过30亿欧元。   “使用核电、正进行废核”的,有德国、瑞士和比利时。德国在福岛核事故发生两个月后就宣布,2022年全面废核,2038年全面废煤。但德国人也不能用爱发电,而是一边宣布废煤,一边开采、使用和出口高污染褐煤—德国自己就是欧洲褐煤出口大国。这自然是既要环保族的选票、又要煤炭工会选票的把戏。
  绿色能源的成本相当高昂,德国的电价也一再水涨船高,年年飙升。不少低收入家庭只能在低瓦数的昏暗灯光下,度过漫长的夜晚。根据调查数据,废核计划至少令20%的德国企业想迁往国外,因为付不起昂贵的能源开支。而绿色能源的补贴开支就占德国GDP的1%。另据西门子公司估计,如果核电厂按计划全部停用,到2030年,德国将为此多支出至少2兆美元。
  “北溪二号”从俄罗斯维堡直通德国格莱斯瓦德,天然气发电将成为德国“削足适履”能源政策的最大支柱。显然,这一战略从科学的角度看并不“环保”,也给德国和邻国的关系增加了不小的变数。德国9个邻国中的6个,都在不同程度发展自己的核电计划。捷克已经在两国边境筹建新的核电厂。
  “使用核电、无计划增加核电机组”一组里的瑞典,是个幸运儿。它的电力49%来自水力,39%来自核能,8%来自生物能,仅有4%来自火力及其他。不過,跟核电不沾边的挪威更幸运,其电力95%来自水力,4%来自火力,1%来自风力,堪称得天独厚且极为罕见的清洁能源组合结构。
  上述国家以外,石油出产国的核电计划也令人瞩目。一方面,这些国家的人口和经济快速增长,对电力需求加大;另一方面,石油储量有限,油价不断攀升,它们也想开发其他能源。委内瑞拉、阿联酋、沙特、印尼、伊朗、尼日利亚,都已经筹划和启建核电厂。

成本效益


  划不划算,是核电站兴废的另一个重要因素。
  计算任何一种能源的成本,都基于以下几个条件:建设所需资金(包括融资费用),运行和维护成本(包括燃料价格),以及停用和清理的费用。核电厂和燃煤发电厂、燃气发电厂同属于“基荷电源”,就是说三者可以满足全天候满功率或接近满功率运行。
  三者当中,一般来说,核电厂建设成本最高,燃料成本较低;燃气发电厂建设成本最低,燃料成本偏高、波动也大;燃煤发电厂两项成本均处于中间水平。
  麻省理工学院曾计算出一个“隔夜成本”值,假设一夜之间建好,那么一座1000兆瓦电力的核电厂成本是40亿美元,还需要再加上20亿美元的财务费用—比如偿还利息之类。看起来成本很吓人,不过,如果把这些成本分摊到40至60年的运行时间上,价格还是挺低的。况且,除去意外事故和政治因素(像立陶宛和保加利亚会为了加入欧盟而关闭苏联时期的核电站),世界上绝大多数核电站都在超期服役,这样成本就摊得更薄了。
核废物占全球工业毒性废物总量的比例,还不到1%。其中大约90%以上是低放废物,占总放射性的1%,而高放废物量不多,却占总放射性的约95%。

  新的碳排放机制是一种明确的市场信号,不鼓励使用化石燃料。复制之前的反应堆设计,建造小规模的核反应堆,这些都有助于降低核电的建设成本。
  放射性废物的处理成本也是大头。放射性废物,按辐射性分为低、中、高三级。按照世界核能协会的测算,核废物占全球工业毒性废物总量的比例,还不到1%。其中大约90%以上是低放废物,占总放射性的1%,而高放废物量不多,却占总放射性的约95%。
  全球核电厂每年产生近20万立方米的低、中放废物,和1万立方米的高放废物,其中放射性最高的是乏燃料。燃料组件从轻水反应堆里移出来,就被称作乏燃料,其由95.6%的铀、0.9%的钚、0.1%的锕系元素(如镅、锔、镎)和3.4%的裂变产物构成。
  以一座1000兆瓦电力的典型反应堆为例,每年产生200~300立方米的低、中放废物,和20立方米、重约27吨的乏燃料。乏燃料经过“后处理”,减少高放废物的体积和去除钚之后,其中高放裂变产物的玻璃状废物仅约3立方米。
  乏燃料一旦被移出水池,放在储存罐里更安全。购买一个储存罐,装满它,成本是100多万美元。3到4个储存罐,可以容纳一个反应堆的废弃乏燃料。另外,安置这些储存罐还要额外的成本。一座核电厂至少要准备上千万美元来处理乏燃料。
  想找一个永久安置库,不是出得起钱那么简单。1986年,美国政府将内华达州尤卡山列为唯一候选安置地址。那时候内华达国会代表团实力弱,没能阻止得了。等到2009年民主党控制国会两院,内华达州联邦参议员哈里·里德作为参议院多数党领袖,马上抗议尤卡山项目。地址还在扯皮,资金就先断了,第二年能源部就撤销了尤卡山安置库建造许可证的申请,从而终止了美国唯一的高放废物地质处置项目。
  福岛核事故再次提醒人们,能源发展是一个全局问题。在污染、供给不稳定和清洁可靠之间,总有许多掣肘的客观因素,而社会福祉并不应该是简单的意识形态偏见或诡辩所能左右的。
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