小型模块化核反应堆为何是一条死路?一个关键问题是:小型模块化反应堆能否兑现承诺,克服传统核电长期存在的历史性弊端?答案是否定的。
核电行业眼下正在大力推销小型模块化反应堆,也就是SMR的设计方案,宣称这类反应堆比老式核电站更便宜、更安全,建设速度也更快。比尔·盖茨和亚马逊都在投资这项技术。此外,一些环保人士也支持小型模块化反应堆,包括马克·莱纳斯和比尔·麦基本,他们希望借此降低碳排放。民调还显示,如今支持发展核能的美国人,已经明显多于十年或二十年前。
今年,全球陷入了一场能源危机。随着霍尔木兹海峡关闭,全球近五分之一的石油运输受阻,其经济影响很可能在未来数月甚至数年持续发酵。各国领导人突然迫切需要替代能源,转向太阳能、煤炭和核能。数据中心的用电需求正在激增,而这些中心的建设方希望用小型模块化反应堆为人工智能供电。
核能复兴?在具体讨论小型模块化反应堆之前,先从更宏观的层面理解核电行业的现状,会更有帮助。核电行业如今似乎有望回潮,但这一势头出现在1986年切尔诺贝利灾难之后长达三十年的低迷期之后。如今,全球约有440座核电站,分布在30个国家,总净装机容量约400吉瓦,提供了全球约10%的电力。
美国拥有全球最多的核电站,共96座。这个国家正在缓慢淘汰老旧反应堆,这些反应堆的平均年龄为44年,但过去十年间又投运了3座新反应堆。目前运行着60座反应堆,另有最多40座在建。印度同样希望迅速扩大本国核电产业,并在试验快中子增殖反应堆。从全球看,国际能源署预测,到2050年,全球核电总装机容量将增长到700吉瓦以上,其中相当一部分增量预计将来自小型模块化反应堆。一年前,特朗普政府公布了一项雄心勃勃的核能战略,目标是到2050年将美国核电装机扩大到现在的4倍,小型模块化反应堆将在其中扮演关键角色。
推动核能重新受到关注的主要因素包括全球范围内的气候变化、美国的特朗普政府、科技公司对电力近乎无止境的需求,以及亚洲国家对更多工业能源的渴求。大多数国家都希望限制碳排放,而化石燃料之外的主要低碳替代能源无非是太阳能、风能、水电和核能。太阳能和风能具有间歇性,也就是“波动性”,需要配套储能,才能让供电与需求相匹配。水电的增长潜力有限。这样一来,核电就成为剩下的选项之一,它的优势在于供电稳定可靠,而且仍有扩张空间。
如果说理解核电行业为何再次扩张很重要,那么弄清它为何长期沉寂同样重要:
成本:核电站结构复杂、造价高昂,而且由于核武器扩散风险,相关技术受到国际监管。尽管这一行业已经发展了80多年,核电站建设周期依然很长,成本超支也屡见不鲜。
燃料:铀是几乎所有现有核电站的燃料,但它是一种正在枯竭的不可再生资源,供应也日益紧张。铀矿开采既污染环境,又成本高昂。预计到2035年,矿山关闭将导致燃料短缺,而这些关闭大多是资源枯竭所致。地质学家虽然已经发现了更多铀资源,但新开矿山意味着进一步破坏环境,并伤害人类社区,而铀矿行业在这方面本就有一段不光彩的历史。
废料:经过几十年的研究,全球核电行业至今仍没有找到合适的地方,来安置过去80多年里产生的300000吨核废料,以及仅美国就有的480000吨贫铀。
安全:核事故虽然相对少见,但一旦发生,后果可能极其严重,代价也极其高昂。2011年福岛核灾难到2016年时,直接清理成本已高达1800亿美元,而且损害至今仍未被完全控制。对人类健康造成的间接成本,据估计达到5000亿美元。此外,核电技术始终与核武器扩散风险相连。
水资源问题:几乎所有核电站都用水作为冷却剂,因此极易受到干旱和洪水影响。干旱会减少可用于冷却的水量,而洪水则会破坏安全基础设施。核电站通常建在河流、湖泊等水体附近,这也意味着洪水还会带来水源污染风险。
如果核电行业能够克服这些历史性障碍,那么前路仍有可能打开。按照行业的说法,小型模块化反应堆正是最主要的突破方向。
小型模块化反应堆:承诺还是炒作?支持小型模块化反应堆的主要理由是:它们比传统核电站更便宜、建设更快,也更安全;同时,由于体量更小,还可以部署到偏远城镇或数据中心供电。其核心设想是,在集中化工厂生产部件,再把这些部件运到发电现场组装。
所谓“小型”,指的是电功率不超过300兆瓦。现有大多数核电站的规模大约在1吉瓦,也就是1000兆瓦左右,而一些拟议中的小型模块化反应堆只有20兆瓦甚至更小,这类反应堆被称为“微型反应堆”。
总体来看,小型模块化反应堆目前大多仍停留在设计阶段。另有1座小型模块化反应堆正在建设中。在美国,由微软的比尔·盖茨创立的泰拉能源,已经获得许可,将在怀俄明州凯默勒建设一座345兆瓦的钠冷反应堆。严格说来,它并不算“小型”,但也相差不远。
显然,这一代新型核电站并非拿不到资金和审批。真正的大问题在于:小型模块化反应堆能否兑现承诺,克服传统核电长期存在的那些历史性弊端?
成本:只有在订单规模足够大的情况下,小型模块化反应堆的建设成本才可能更低;最初的原型机甚至可能比传统核电站更昂贵。按每兆瓦装机容量计算,其建设成本很可能更高,而运行成本在获得现实世界数据之前也基本无从判断。因此,小型模块化反应堆的发电成本目前仍无法确定,但初步估算显示,它会明显高于太阳能和风能。
燃料:多数拟议中的小型模块化反应堆使用铀,但图纸上的一些设计打算以贫铀或钍为燃料。就目前而言,笼罩整个核电行业的铀燃料约束并没有消失。尽管有些说法并不这么认为,但小型模块化反应堆也不会比传统反应堆更高效地利用燃料。
海水提铀:如果从海水中提取铀,铀资源的供给上限确实可以大幅提高,因为海洋中的潜在资源极其庞大,只是浓度大约只有十亿分之3.3。海洋中的铀资源总量估计为45亿吨,超过已探明陆地铀资源总量的500倍。不过,提取这些铀需要消耗大量能源。现有最好的吸附材料技术,其能量投资回报率大约为4比1,低于太阳能、风能、水电、化石燃料以及传统铀矿开采。
废料:一些拟议中的小型模块化反应堆设计属于增殖反应堆,理论上可以把贫铀甚至核废料当作燃料,从而处理这些废料,但这项技术一直面临重大挑战。除此之外,小型模块化反应堆不仅无法解决核废料困境,甚至可能使问题更加严重。
安全:小型模块化反应堆在设计上确实比传统核电站更安全,它采用被动式、依靠重力驱动的冷却系统,在停堆时不需要电力,也不需要人工干预。但它的整体安全性仍有争议。现实世界中还没有数据能够支撑行业的这些承诺。而且,如果大量更小型的核电站分散在各地,核材料落入不法行为者手中的可能性也可能上升。至于在自然灾害更加频繁、强度更高的情况下,小型模块化反应堆是否足够有韧性,这一点同样存在争议。2021年的一项研究认为,与气候变化相关的风暴、干旱和环境温度升高,很可能会给所有核电站带来运行风险。
小型模块化反应堆剩下的最大优势,主要是两点:一旦制造基础设施建成,它可能具备较快部署的能力;此外,它也可能为不接入电网的数据中心提供专用电源。
进一步的技术进步能解决问题吗?每当某一种技术的局限暴露出来,核能支持者往往会把讨论转向另一种技术。但仔细看就会发现,这些技术性“解决方案”通常各有各的问题:
快中子增殖反应堆:如果核燃料短缺,为什么不发展快中子增殖反应堆,让它生产的核燃料多于消耗的核燃料?目前,俄罗斯运行着2座快中子增殖反应堆,印度的第一座已在4月下旬达到临界状态。另有1座用于研究的快中子增殖反应堆。美国、法国和日本过去都运行过增殖反应堆,但后来停止了这方面的研究,原因包括资本和运营成本高昂、钠冷却剂带来的安全风险,以及核扩散担忧。
替代冷却系统:水冷反应堆几乎涵盖了现有所有商业核电站,这类反应堆存在失去冷却剂事故的风险,原因包括管道破裂、高压运行故障、部件老化,以及地震等自然灾害。行业给出的解决方案是改用钠或氦作为冷却剂。但问题在于,钠的化学活性极强,接触空气就会燃烧,遇水则会发生爆炸性反应;而氦则是一种正在枯竭的不可再生资源,经济上也正迅速变得稀缺。
钍反应堆:如果铀资源紧张,而且可能带来核武器扩散风险,为什么不使用储量更丰富的钍?已有一座位于戈壁沙漠的实验性2兆瓦钍反应堆建成。不过,钍反应堆的开发成本很高,还会产生一种高放射性副产物——铀232。它会衰变成能释放强穿透性伽马射线的同位素,使燃料处理和维护工作更危险、成本也更高。此外,钍反应堆还需要一种“驱动”燃料。钍232是可增殖材料,而不是可裂变材料,这意味着它必须依靠另一种放射性燃料,例如铀或钚,来启动链式反应。因此,核扩散方面的担忧依然存在。
目前,关于这些“新”核技术,现实世界中的数据仍然很少,尽管它们其实已经被讨论或试验了几十年。核电行业并没有真正解决自身面临的诸多困境。眼下这场核能复兴,与其说是由新颖的技术方案推动,不如说是因为社会的能源问题正在迅速恶化,尤其是气候变化。世界各国领导人如今迫切需要稳定可靠的低碳能源,以至于只要核电行业能把最新一代产品包装得足够光鲜,他们就愿意忽视其中相当大的风险。科技行业的领导者则更加急切。他们清楚地知道,人工智能正在推高电力需求,因此更迫切地想为公司指数级扩张寻找电力来源,同时又不愿承受社会反弹,因为其他人可能要面对更高的电价或电力短缺。
如果不是小型模块化反应堆,那又该怎么办?核电是高技术现代工业主义的产物。核能支持者默认,而且核反应堆本身也依赖,全球供应链必须运转顺畅,电网必须持续稳定,水资源必须可靠,政治体系也必须正常运行。但我们眼前展开的未来,却是一场多重危机:供应链、电网、水资源、天气以及常态化政治运行,都在受到威胁。在这样的背景下,真正说得通的解决方案,只能是那些小规模、本地化、低风险、并且以自然为基础的方案。
碳排放怎么办?是的,我们确实需要用低碳能源替代化石燃料。但这些替代方案应当尽可能低技术化,同时我们还应努力降低整体能源使用量。
人工智能数据中心怎么办?这个问题其实很简单:不要建。我们正一头冲向一个由人工智能管理的未来,却并没有充分理解人工智能究竟是什么、能做什么,以及未来可能造成什么后果。更何况,人工智能看上去很可能是历史上最大的投资泡沫之一。
许多政治和经济领导人都抱持一种态度:为了拯救工业化现代性,我们必须不惜一切代价。但工业化现代性恰恰是问题的核心。它是一台制造危机的机器。在不可避免地自我毁灭之前,它还在为极少数人创造巨额财富,同时把其他所有人困在沉闷的就业、支付、债务、依赖和分心体系里,让人几乎没有时间停下来思考这一切究竟有多么徒劳。
更重要的是,小型模块化反应堆对解决眼下这场全球能源危机毫无帮助。美伊战争之后,石油短缺已经席卷全球,而这种短缺在大多数情况下都无法用电力来弥补,至少短期内做不到。电气化当然是一种不错的过渡性能源策略,它有助于以尽可能小的代价逐步结束现代性,但这需要时间,而且有些领域很难甚至根本无法真正实现电气化,包括重型制造业和航空运输。世界现在就需要汽油、柴油和航空燃油,而小型模块化反应堆要几十年后才能大规模部署。
你如何看待小型模块化反应堆,很大程度上取决于你如何看待技术本身。如果你相信人类的命运和未来寄托于高科技,包括人工智能和支持殖民其他星球的先进火箭,那么你几乎一定会相信,小型模块化反应堆能帮助我们实现这一切。但如果你和我一样,认为全球多重危机是工业主义及其后果——资源枯竭、污染和人口过剩——不可避免的产物,那么你很可能会把小型模块化反应堆视为一种毫无意义、而且危险的资源浪费。
一旦我们看清工业化现代性为何不可持续,最重要的问题就变成了:什么样的退出策略才是可行的?当我们走出现代性的大门,重新回到更简朴的生活方式时,需要尽量减少新问题的产生,并重新学习自然那些精妙的解决办法。当我们的优先事项这样被重新调整之后,核电就不再有任何道理。
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