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探问第三代核电站安全底线

撰文 亚当· 皮奥雷（Adam Piore）    翻译 张燕晶

美国佐治亚州的韦恩斯伯勒，离日本福岛第一核电站有半个地球那么远。在该州一片松林深处，几百位工人正在为美国核能的复兴辛苦劳作，他们仍然相信复兴的一天终会来临。在一片刚刚用硬质回填料堆起的高地上，推土机轰鸣着，来来回回把这块地压低，这片施工场地底下最近还铺设了供排水管道。如果计划能够按时实施，在明年，这里就将矗立起两座新核反应堆——这是美国自1976年以来兴建的第一座核电站。

1979年，美国三里岛核电站发生反应堆部分熔毁事故，自那以后，美国核电行业长期停滞不前，而韦恩斯伯勒新核电站的兴建意味着这一行业重新开始扩张。但也正是从三里岛事故发生的那个时候开始，由于全球气候变暖，人们不再把核电当做是对环境的威胁，转而把它视为一种潜在的没有碳排放的清洁能源。小布什和奥巴马这两位美国总统都对能够重新起动核电行业的新技术寄予厚望。美国核管理委员会（The U .S. Nuclear Regulatory Commission，NRC）经过评估，提议在韦恩斯伯勒这两座反应堆之外，再修建20座反应堆，而在数十年前，美国已经建成了104座核反应堆。

在规划中的这些反应堆中，包括韦恩斯伯勒的沃格特勒核电厂这两座反应堆在内的一多半都将采用AP1000标准。AP1000是新一代反应堆技术中的第一种，它具备了“非能动”安全保护的特性，可以避免类似福岛核电站事故的发生。当意外事件引发事故时，这种反应堆可以依赖重力或者压缩气体等自然力，来防止核燃料达到极其危险的高温状态——这种技术正是福岛核电站所缺乏的。

仅仅在几个月之前，佐治亚州这两座AP1000型反应堆要通过核管理委员会的最终审批都不是问题，并将在年内动工。但就在今年3月，日本爆发了里氏9.0级的特大地震并引发巨大的海啸。在这次自然灾难中，福岛第一核电站有四个反应堆的堆芯（reactor core）降温系统失效，导致了严重的核危机。这次事故再一次唤醒了公众对核灾难的恐惧。在美国，数周的民意调查显示，日本福岛核电站事故发生后，支持兴建核反应堆的公民从原来的49%下降到41%。这反映出美国公民对核电技术缺乏信心，尽管出现事故的概率非常小，而反应堆的保护功能相当强大。福岛事故为危机评价的局限性提供了一个很好的实际案例。

无论人们如何规划，都无法避免核电站受到“黑天鹅事件”（black swan event，几乎不可能发生，但一旦发生后果就很惨重的事件） 的影响。这种小概率事件，甚至此前从未发生过，非常难以预测，准备措施非常昂贵，而它发生的几率在统计学上却几乎可忽略。这是因为，一类事件在一万年内也许只会发生一次，但并不代表明天就绝对不可能发生。对一座典型的设计寿命为40年的核电站而言，它可能遇到的情况也五花八门，比如2001年的“9.11”事件，或者2005年8月的卡特里娜飓风，以及刚刚过去的日本大地震。

这份可恶的黑天鹅名单，潜藏着变化多样的威胁。核反应堆，以及它们的乏燃料池（spent-fuel pool，储存用过的核燃料的水池），都是恐怖分子劫持飞机后撞击的目标。反应堆也许会位于水坝的下游，一旦它们发生爆炸，就会导致滔天洪水。还有一些反应堆离地震断裂带或者容易发生海啸和飓风的海岸线很近。上述任何一种威胁，都有可能带来类似于三里岛核电站或者福岛核电站那样的灾难性悲剧——降温系统失效，具有放射性的燃料棒因温度过高而熔毁，释放出致命的放射性物质（切尔诺贝利核电站甚至还发生了核爆炸）。

哪怕不考虑工程预算问题，要找到应对这些情况的万全之策，都是一件相当棘手的事情。美国各个公共事业公司都在想尽一切办法减少修建反应堆的预算投入，这笔资金数额巨大。即使审批和建造过程都非常顺利，一座核电站单位装机容量修建成本也几乎达到了燃煤电站的两倍，更是天然气发电站的5倍之多。但从运营成本来看，核电站的优势就立即体现出来了：生产相同的电能，核燃料成本仅仅是燃煤的1/5、天然气的1/10。当然，综合考虑修建成本与运营成本，核电站若想总体占优，就必须能够长期高效运转。在上世纪70年代和80年代，核电站常常需要停机维护，安全问题也时不时地严重拖累运营收益。核电要想在市场中具备竞争力，就必须降低建造成本，压缩停机时间，这要合理优化系统，使之更简单可靠，而不是简单降低反应堆的安全系数。

当然，尽管工程师们已经用巨大且坚固的墙体将反应堆封闭起来，并将反应堆置于防水的地下室中，并雇佣了一大帮专家来预测未来可能出现的情况，但无论如何，要想打造一种可以从容应对所有威胁的反应堆都是不现实的。毫无疑问，工程师在设计AP1000的时候，已经无数次地考虑了物理学原理、建造成本，以及灾害应急。他们最终作出的选择，也仅仅是考虑各方面情况后的一个折中方案，这是必然的。但现在公众已被福岛核电站的事故惊醒，人们思考得最多的问题就是：反应堆足够安全吗？

非能动防御vs.灾难

无论是AP1000反应堆，还是正在接受核管理委员会审查的其他第三代反应堆，都针对灾难进行了设计，但它们考虑的灾难和这次发生在日本的地震不一样。在1979年三里岛事故中，堆芯部分熔毁，这主要是因人为失误引起，并非自然灾害。针对如何改进反应堆，工程师们进行了数月的集体研讨，他们主要考虑了如何简化安全特性，以及增加备用的无需人工操作就可以自动起效的冷却装置。AP1000等第三代反应堆，就是工程师们给出的答案。

AP1000型反应堆的冷却水通过一个封闭的管道系统进行循环。当冷却水流过堆芯时，它们会吸收热量，但不会蒸发，这是因为管道内压力非常高，因此水的沸点也很高。反过来，这个管道系统会通过一个次级蓄水池里的水来冷却。如果驱动这个管道系统的水泵失去外部供电，反应堆的备用电池就会启用。如果备用电池也失效了，这时自然力就会发挥作用：冷却水从三个应急水箱中流出，这些应急水箱就装在圆弧形的包裹着整个堆芯的反应堆钢结构安全壳（steel containment vessel）中（参见对页插图）。

断电时阀门会自动打开，堆芯与水箱之间的温度、压力差会使得冷却水进入反应堆管道，起到给燃料棒（fuel rod）降温的作用。如果有必要，建在反应堆混凝土外墙顶上的另一个巨大蓄水池可以直接让水倾泻在反应堆外墙顶上，通过蒸发带走热量，降低顶部温度。在圆弧形安全壳之内，从堆芯冒出的蒸汽会不断冲击已经降温的屋顶，遇冷凝结成水，最终又洒落到堆芯上。美国西屋电气公司的前首席技术官霍华德·布鲁斯奇（Howard Bruschi）介绍说，反应堆外部顶上的水箱容积达3 000立方米，至少够使用3天，反应堆外墙上还设有通风口，可以引入外部空气来给钢安全壳降温。

这些备用系统的最大优点，就在于它们工作时既不需要电力，也无需人工操作，这些特色让AP1000较之以前的反应堆有了很大进步。支持者认为，由于在关键位置合理部署了冷却系统，类似福岛核电站的电力中断事故（地震与海啸不仅仅破坏了福岛核电站与外部电网的连接中断，设在电厂内的备用发电机组也遭到破坏，所有冷却装置因此全部失效）将不会给AP1000型反应堆造成太大影响。即使备用冷却系统也只能工作仅仅数日，但这也让核电站工人有了恢复供电系统的时间。

这些非能动系统能否有效阻止堆芯熔化，防止核物质泄漏到外部空气中，这个问题还处于争论之中。第三代核反应堆的支持者声称，这些设计将使得新反应堆的安全系数要比美国以前的104座反应堆高出10倍。而其他一些工程师的评价则相对保守。侯赛因·S·卡里尔（Hussein S. Khalil）是美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory，ANL）核工程分部的主管，他对此并没有过多赞许：“公正地说，第三代核反应堆开创了一些利用自然力的方法，相对现有反应堆使用的安全技术而言，它们提升了安全系数。”

即使如此，工业批评家埃德温·莱曼（Edwin Lyman）却不认同上述观点，莱曼还是美国忧思科学家联盟（Union of Concerned Scientists，UCS）的资深科学家。他对西屋电器公司的AP1000型反应堆，以及通用电气公司的经济型简化沸水反应堆（Economic Simplified Boiling Water Reactor，ESBWR，另一种第三代核反应堆）在节省成本方面的特殊设计提出了质疑。莱曼最关注的是AP1000型反应堆的钢安全壳，以及混凝土保护外墙的强度。在福岛核电站，当工程师为了给燃料棒降温而向安全壳中注入冷却水时，他们一直对安全壳内部急剧升高的蒸汽压力，以及潜在的氢气爆炸提心吊胆。

在莱曼眼里，AP1000型反应堆的安全壳缺乏足够的安全裕度。莱曼衡量反应堆安全裕度的一个参数就是安全壳的容积，安全壳的容积与它能抵抗的压力相关，通常与反应堆的功率成正比。西屋电气公司曾推出过AP600型反应堆（现已停止运行，停运原因就是它的发电功率太小，对公共事业公司而言实在没有吸引力），每1 000千瓦的装机容量对应安全壳的体积达到20立方米，目前正在运行的大多数压水反应堆（pressurized water reactor）的安全壳也差不多维持在这个水平。莱曼说，AP1000型反应堆的发电功率提升到了110万千瓦，但它的安全壳体积却没有按比例增大，每1 000千瓦的装机容量对应安全壳的体积只有约17立方米。他解释说，这是因为安全壳和外墙建造成本实在“太高了”。

西屋电气公司的布鲁斯奇争辩说，AP1000型反应堆仍然符合NRC的安全标准。他还说，非能动降温装置能够提供更好的降温效果，在出现严重事故时，可以降低反应堆安全壳内的压力。这一观点也得到了好几位中立的核工程师的认同。尽管如此，莱曼仍然担心增大的压力会超出核工程师们的估计。

相对而言，莱曼更信任法国阿海珐集团（Areva）推出的欧洲压水式反应堆（European Pressurized Reactor，EPR）。EPR的设计过程参考了法国和德国公共事业部门以及欧洲相关管理机构的意见，现在EPR正在接受NRC的审查。在非能动备用降温系统之外，EPR还配备了四部主柴油发电机以及两部次发电机，发电机房能够完全防水，独立于反应堆厂房之外。阿海珐下属的反应堆与安全事务集团副董事长马蒂·帕雷斯（Marty Parece）介绍说，这些设计使得所有发电机同时失效的可能性变得微乎其微。即使发电机全部失效，EPR还拥有更厚的双层安全壳，以及一个堆芯捕集器（core catcher）。堆芯捕集器能够“捕捉”熔融的核燃料，封闭它们并通过由重力驱动的冷却水来给它们降温，这样能够防止放射性堆芯熔融物泄漏。

安全性vs.成本

核电站设计师没有足够的预算来防范所有可能的灾难。他们必须考虑各种各样的情况。但问题在于，不同的威胁需要不同的应对方法，而且有时候为了应对一种威胁所做的设计有可能降低对另一种威胁的防范水平。对新式的AP1000非能动安全保护反应堆来说，潜在的最具杀伤力的批评声来自NRC的高级结构工程师马君素（John Ma）。受9·11事件影响，2009年，NRC提高了核电站的安全标准，要求所有核电站都必须能够经得住一架飞机的直接撞击。为了达到新的标准，西屋电气公司在反应堆的混凝土外墙中增加了钢板。

自1974年NRC成立之日起，马君素就供职于该处。去年，在NRC批准AP1000型反应堆之后，马君素提交了他在NRC职业生涯中的第一份反对议案。在这份议案中，马君素批评了钢结构外墙的某些部位过于脆弱，无法抵御来自一架飞机的“撞击能量”，甚至被暴风裹胁来的各种物体都有可能将外墙击垮。但西屋电气的工程师专家团队对此却不认同，另外，来自NRC反应堆安全保护顾问委员会的几位工程师也不同意马君素的观点，他们此前也曾建议NRC批准AP1000。

然而，其他一些更激进的设计方案，看上去提供了更大的安全裕度。所谓的“球床式反应堆”（pebble bed reactor）是一种正在开发中的第三代反应堆技术，该技术是将成千上万微小放射性物质颗粒嵌入罐状容器中网球大小的球形石墨燃料里，并通过气体而不是水,来带走核燃料中的热量。石墨能够降低核裂变的速度，降低堆芯过热的可能性，因为冷却水容易转变为蒸汽从而引发爆炸，所以用气体来进行降温更安全。其他一些被称为“小型模块化反应堆”（small modular reactor）的新技术虽然发电功率较低，但是它们的成本与大型设施相比也有明显优势，它们产生热量更少，更容易被控制，因而也是值得考虑的方案。

大部分核专家看上去都认同西屋电气在安全和成本之间取得的平衡，相信他们提供的反应堆安全壳能够提供足够好的保护，来应对绝大多数的事故。工程师们最终必须在成本控制和安全方面之间找到最佳结合点。

预测之限

福岛核电站暴露的问题是：灾难超出设计者的预设之外。这场核灾难的起因之一，就是管理者和设计者没有预见到可能出现的问题，而这些问题应该是很容易想到的。福岛第一核电站设计的抗震能力是抗里氏8.2级地震，而且这次的9.0级大地震也在它的安全裕度之内。但问题在于它只能抵御5米的海啸，但此番地震引发的海啸却高达14米。类似规模的海啸并非没有先例，早在869年，日本的贞观大地震就曾引发过与此次规模相当的海啸，美国地质研究局地震科学中心（Earthquake Science Center at the U .S. Geological Survey）主任托马斯·布罗彻（Thomas Brocher）说，当工程师犯下这样的“基本设计常识”错误时，全部赌注就都输掉了，对反应堆、桥梁或者摩天大楼而言，都是如此。

这样的致命错误在美国看起来并不容易出现。NRC需要营运商证明它们的电站能够承受已知最大规模的洪水、海啸或者地震的侵袭，因而“增加了额外的安全裕度”，NRC的新闻发言人布莱恩·安德森（Brian Anderson）说。专家通过评估当地过去10 000年发生的最大规模的地震，得出一个模型，并据此制定标准。额外的安全裕度可以让电站经受1.5~2倍的最大规模地震的侵袭，波兹达尔·斯托贾蒂诺维奇（Bozidar Stojadinovic）说，他是美国加利福尼亚大学伯克利分校地震工程领域的专家，同时也是NRC的顾问。

但是，工程师只能够为他们能够预见的事件做准备。地震科学家总是能不断发现新的地震风险。在数十年前，科学界普遍认为，美国西北部太平洋海岸距离遭受下一场大地震或者海啸侵袭的时间还很遥远。后来科学家在那些地方发现了死去的香红杉（red cedar），并测定它们死亡的年份为1700年，这意味着那一年曾发生过大地震。科学家们还发现了日本在1700年发生海啸的记录，进一步证实了上述观点。再往后，地质学家判定，一场里氏9.0级的大地震曾经袭击了北起温哥华岛北部，南至加利福尼亚州北部的地区。这一事实改变了当地建筑设计的基本认识。在这项研究之前，两座核电站分别在加利福尼亚州和俄勒冈州建成，但最终不得不接受退役的命运。

在美国东部沿海，却极少发生地震，这使得有关当地地震研究并非那么紧迫。但是，位于纽约北部不到50英里处的印第安角核电站，担负着为近6%的美国公民提供电力的重任，这一地区的人口密度超过了美国任何一座核电站所在的地方。2008年的一项研究显示，该地区此前被认为并不活跃的好几处小型断层最终可能导致大规模地震。虽然美国波士顿学院（Boston College）的地震学家约翰·E·伊贝尔（John E. Ebel）说，地震科学家并不认同这一地区的断层会引发地震或者断层间会互相影响的观点。

福岛核电站的事故给反应堆的“新典范”们上了一课，让它们知道需要做些什么，“我们的设计基准依据的是不可能的可能性，”纳吉·麦西卡提（Naj Meshkati）说，他是美国南加利福尼亚大学的工程学教授，同时也是地震对核电站的影响研究领域的专家。“但工程师仍不太擅长针对这些绝无仅有的事件做出合理设计，因为它们从未发生过。”这些不确定性使得我们无从得知，在设计基准之上提供两倍的安全裕度是否充足。

另一方面，没有什么人工建筑能够保证百分之百抵御地震，NRC顾问委员会在反应堆安全方面的专家迈克尔·科拉迪尼（Michael Corradini）说，“问题在于你愿意针对怎样的情况去设计，以及社会是否理解你的想法，并相信你设计的反应堆是安全的。”

要有多安全才足够安全？当这个问题摆在核电站面前的时候，你必须慎重考虑各种可能的方案，并确认你能够承受的风险后，给出一个经过深思的答案。根据美国能源部的统计，燃煤为美国提供了50%的电力，却因此排放出80%的二氧化碳。而核电站提供了占全国20%的电力，不产生任何碳排放。根据美国净化空气任务组织（Clean Air Task Force）在2000年完成的一项研究，仅仅是美国东北部的两座燃煤电站带来的环境污染，每年就会使数万人患哮喘病，数十万人患上呼吸道疾病，以及70人死亡。天然气更清洁，但是有证据显示，一些天然气的开采方法会造成环境污染，还会给人的健康带来危险。

日本的核电站事故到底会不会对美国一些新反应堆的建设规划造成影响，现在还不得而知，但随着全球变暖的趋势愈演愈烈，以及人们对能源需求的增长，都意味着美国核电行业需要复兴。2010年2月，在奥巴马宣布了83亿美元针对核能的有条件贷款之后，美国能源部长朱棣文（Stephen Chu）公开表达了对AP1000型反应堆的支持。“沃格特勒核电项目将帮助美国从新夺回在核技术方面的领导地位，朱棣文说。从美国核电行业过往的安全记录来看，它们现在也理应获得支持。所有的忧虑都来自于三里岛核事故，但事实上，在那次事故中，没有一个人死亡。当然，过去的这些所有记录并不代表以前从未出现的事故不会在未来某天发生。