化石燃料便宜且豐富，而太陽能和風(fēng)能價格昂貴且效率低下。核能是一種被忽視的能源。
德國南部岡德雷明根的一座核電站。(美聯(lián)社照片/Christof Stache，檔案)
俄羅斯軍隊本月襲擊了歐洲最大的核電站烏克蘭的扎波羅熱核電站，在此過程中損壞了幾處設(shè)施。
烏克蘭國家核監(jiān)管檢查局警告說，“失去冷卻核燃料的可能性將導(dǎo)致大量放射性物質(zhì)釋放到環(huán)境中”，這可能“超過以往所有核電站事故，包括切爾諾貝利事故和核電站事故”。福島第一核電站。”
然而，真的是這樣嗎?
這一事件引發(fā)了許多問題，其中大部分問題已在最近幾天在媒體上得到了我的許多同事和專家的回答。今天，我還試圖找到其他同樣重要的問題的答案：現(xiàn)代核電站有多安全或危險?核能是解決氣候危機的答案還是敵人?
我與康涅狄格大學(xué)物理系的物理學(xué)名譽教授霍華德“科克”海登討論了這個和其他重要問題。
海登的研究涉及基于加速器的原子物理和社會能源(化石燃料、核能、水力、風(fēng)能、生物質(zhì)能、光伏、太陽能加熱)。他是《能源：一本教科書》的作者，該書是為希望能夠自信地討論能源的人們而寫的，并且是《能源倡導(dǎo)者》的編輯，這是一份促進能源和技術(shù)的月刊。
在我們的討論中，我們談到了許多話題——從全球變暖到討論擁有過多科學(xué)測量單位的問題。我們甚至做了一些數(shù)學(xué)運算。
以下是我們討論的摘錄，重點關(guān)注核能：
問：核電站運行安全嗎？三哩島呢？切爾諾貝利？福島？
答：首先，核反應(yīng)堆幾乎不可能像炸彈一樣爆炸。這不可能發(fā)生，無論發(fā)生什么問題。
其次，沒有安全能源這回事。要求安全的能源就是要求不會燃燒的汽油。重要的是每單位傳遞的能量有多少危險。在這個話題上，核電顯然擁有最好的記錄。
自 1950 年代以來，我們就使用核反應(yīng)堆發(fā)電，目前它們提供了美國約 20% 的電力。迄今為止，沒有一個人受到任何核電操作的輻射的傷害。這種說法當(dāng)然不能適用于任何其他能源。
發(fā)生了三起值得注意的核事故。在三哩島 [1979 年 3 月 28 日在賓夕法尼亞州米德爾敦] 的那個被證明對每個人都絕對無害。如果有人受到驚嚇并搬到海拔約 100 英尺的不同地點，并在那里呆了一年，他們會比在場地邊界待一年時收到更多的“過量”輻射。
切爾諾貝利事故[在今天的烏克蘭，1986 年 4 月 26 日]——這是一臺在發(fā)電的同時生產(chǎn)炸彈級钚的兩用機器——導(dǎo)致幾十名消防員喪生，他們駕駛直升機向反應(yīng)堆投擲水泥。切爾諾貝利反應(yīng)堆沒有安全殼;蘇聯(lián)人顯然認為制造更多的俄羅斯人比制造更多的混凝土更容易。要記住的一件事是，切爾諾貝利事故與核事故一樣嚴重，與其他能源相比，核工業(yè)提供的單位能量死亡人數(shù)過去和現(xiàn)在都是微不足道的。
福島縣的海嘯 [日本，2011 年 3 月 11 日] 造成數(shù)千人死亡，許多房屋和企業(yè)被毀，但反應(yīng)堆的輻射卻沒有造成任何人死亡。那里的四個反應(yīng)堆(其中三個在運行)沒有受到海嘯的傷害。損壞的原因是連接反應(yīng)堆和電網(wǎng)的電力線被擊倒，備用柴油發(fā)電機在地下室，因此被淹。如果柴油發(fā)電機在頂層，它們會一直嗡嗡作響，并保持冷卻水的流動。不會有“核災(zāi)難”。
問：核廢料呢？到底有多危險？如果泄漏到環(huán)境中會發(fā)生什么？
答：當(dāng)我們?nèi)紵禾?mdash;—或木材、天然氣、石油、汽油——時，廢物會逃離現(xiàn)場，沿著煙囪或排??氣管排出。當(dāng)我們“燃燒”鈾時，參與其中的每個原子都會分裂成另外兩個原子，但不會超過幾千個原子直徑。因此，這些廢物(“裂變碎片”)仍留在鈾燃料中。在全天候生產(chǎn) 10 億瓦電力的一整年中，一公噸鈾變成一公噸裂變碎片。燃料的總重量約為 20 公噸，因此“廢物”由 1 噸廢物和 19 噸燃料組成。
裂變碎片大多具有很強的放射性和危險性——至少在一段時間內(nèi)是這樣。要了解半衰期和放射性之間的關(guān)系，請考慮這個例子。假設(shè)你有 10 億個原子，每種原子有兩種放射性同位素，其中一種的半衰期為 1 億年，另一種的半衰期為一周。在它們各自的半衰期中，將發(fā)生 5 億次核衰變事件，并發(fā)射出一些具有高能量的粒子或另一種(輻射)。5 億次事件將在一種情況下發(fā)生超過 1 億年，在另一種情況下將發(fā)生超過一周。顯然，你寧愿把半衰期為 1 億年的樣品放在口袋里，而不是半衰期為一周的樣品。這里的原則是半衰期越長，放射性越低。半衰期越短，放射性越高。如果半衰期長是個問題，那么我們應(yīng)該害怕我們自己的氧氣，它的半衰期是無限的。
裂變碎片由 200 多種同位素組成，它們在整個地圖上都有半衰期。那些在微秒、一分鐘、一小時、一天、一個月等時間內(nèi)衰減的物質(zhì)會迅速產(chǎn)生大量熱量，但它們對人類的防護非常好，因此不會造成任何危險?？梢赃@么說，他們永遠不會出局。持續(xù)數(shù)億年的同位素具有非常低的活性。諸如它們存在的問題與幾年的半衰期有關(guān)。最重要的(Sr-90 和 Cs-131)的半衰期為 30 年。
乏燃料——主要是燃料，但含有百分之幾的裂變碎片——最初會產(chǎn)生大量熱量，以至于必須將其保存在帶有循環(huán)水的冷卻池中。隨著時間的推移，乏燃料棒被移入大型厚壁不銹鋼桶中并放置在外面。這時，空氣的冷卻就足夠了，不銹鋼的屏蔽也足夠了，人們可以在木桶周圍走動，不用擔(dān)心受到過多的輻射?！痘瘜W(xué)與工程新聞》上的一張照片顯示了一個帶有不銹鋼桶的混凝土墊，用于容納數(shù)十年運行產(chǎn)生的所有乏燃料——含有核廢料。
工人們可以在木桶之間自由穿梭，只要有一把鋼絲鉗，就可以輕易地穿過遠處的鎖鏈柵欄進入。木桶經(jīng)過高速沖入混凝土屏障的測試，很容易在碰撞中幸存下來.
問：您認為風(fēng)力渦輪機和太陽能電池板等可再生能源是否足以抵消化石燃料產(chǎn)生的污染？
A：為了運行世界經(jīng)濟，太陽能和風(fēng)能如果沒有備份和存儲基本上一文不值?；剂咸峁﹤浞?，目前沒有任何東西提供存儲。如果將來我們的能源完全來自太陽能和風(fēng)能，那么需要多少存儲空間?五天的價值?相比之下，如果目前提供基本負載功率的單元增加到足以提供平均功率，則處理中間和峰值負載的存儲需求可能是一天能量的四分之一。
過去，家庭中的煤爐污染非常嚴重，因為從煙霧中清除垃圾所需的設(shè)備和控制裝置對房主來說過于昂貴。然而，大型燃煤發(fā)電站可以而且確實可以去除污染物各種，基本上只排放 H2O 和 CO2。煤炭不僅僅是碳。平均而言，每個碳原子都與一個氫原子相匹配。氫氣的燃燒是 H2O 的來源。在適當(dāng)?shù)臏囟群蜐穸葪l件下，H2O 會凝結(jié)成水滴，稱為云。新聞媒體熱衷于拍攝那些被紅色黎明或紅色傍晚天空背光的云層，讓完全無害的 H2O 看起來非常危險，而且文字總是說一些關(guān)于二氧化碳的垃圾。請注意，您見過的唯一二氧化碳是固態(tài)二氧化碳——干冰——溫度為 -78.5ºC 或更低。
大型風(fēng)力“農(nóng)場”——我討厭這個詞，因為它對農(nóng)民造成了極大的傷害——在優(yōu)秀的地點產(chǎn)生約 12.5 千瓦/公頃(5 千瓦/英畝)的全年平均電力，而在“非常好的”地點則要少得多. 要為一個擁有 700,000 人口的城市提供足夠的全年能源，需要將風(fēng)力渦輪機分布在約 800 平方公里(300 平方英里)的優(yōu)良場地上。由于風(fēng)的變幻莫測，你只能得到發(fā)電機銘牌上所說的大約三分之一。
問：似乎風(fēng)力渦輪機無法解決全球能源問題。您如何看待這個問題在未來得到解決？
答：我們面臨的能源問題是能源匱乏。全世界約有 16 億人用不上電。不可避免地，隨著他們擺脫貧困，他們將首先使用他們可用的最便宜的能源，而不考慮環(huán)境后果。美國在 1960 年代之前也是這樣做的。你可以生活在一定程度的污染中，但你不能沒有能源。隨著生活的改善，他們對環(huán)境的關(guān)注將逐漸形成，他們將朝著減少污染的方向發(fā)展。工業(yè)化國家將是第一個擁有核武器的國家，盡管反核的歇斯底里一直在遏制核運動。
核反應(yīng)堆全天候提供電力，但可再生能源是間歇性的，而且相當(dāng)稀薄。鈾是不可再生的，但足以持續(xù)到太陽膨脹成紅巨星，而且還有更多的釷。
問：關(guān)于核能擴散，有很多反對者和懷疑者。是什么導(dǎo)致了這種恐懼？
答：人類通過汽車和卡車接觸到汽油，通過燃燒它們的熔爐接觸到天然氣或燃油，通過燈泡、收音機和電視接觸到電力。我們對核能的介紹是炸彈。這就是對任何核物質(zhì)的情感恐懼。
很快人們就認識到高劑量的輻射會導(dǎo)致疾病，在某些情況下甚至?xí)?dǎo)致死亡。對這種不可見輻射的擔(dān)憂——甚至在 1890 年之前都沒有被懷疑存在——導(dǎo)致了許多電影，不僅限于“海灘上”，關(guān)于輻射的恐怖。他們引起了公眾的注意，直到今天，公眾仍然對這個話題知之甚少和恐懼。直截了當(dāng)?shù)卣f，廣島和長崎原子彈造成的癌癥死亡人數(shù)在幸存者中通常發(fā)生的成千上萬的癌癥死亡病例中很難辨別。在大約 20,000 例正常病例的背景下，增加了數(shù)百例，盡管幸存的人群接受了非常重(但亞致死)的劑量，但需要非常復(fù)雜的統(tǒng)計技術(shù)才能辨別出這種增加。
我們生活在一個有多種輻射源的環(huán)境中：我們骨骼中的鉀 40，土壤中的鈾、鐳、氡、釷、碳 14 和其他天然存在的放射性物質(zhì)，以及來自各個方向的宇宙輻射空間。這里的要點是，來自核反應(yīng)堆的任何額外輻射只是環(huán)境輻射的一小部分，更重要的是，只是背景輻射變化的一小部分。
