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长缨在手 敢缚苍龙

 
 
 
 
 

日志

 
 

后处理:蓄势待增还是大限将至?  

2015-06-15 09:34:12|  分类: 域外视角 |  标签: |举报 |字号 订阅

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一些观察家认为,钚后处理即将迎接井喷,而另一些人则辩称,这种做法已经走上穷途末路。对于后处理的主要反对声音一直是核扩散风险,但支持者辩称,时至今日,铀浓缩技术已更容易获取,后处理不再是通往核武器的一条高效路径。支持者还强调,对于本土没有铀资源的国家而言,后处理可为其提供能源保障,而且后处理还将有助于高放核废料的减少。反对者反驳道,后处理在减少废料方面只提供边际收益,无论如何也没有多少经济性可言。从核扩散到核废料再到成本,考虑到这一切因素,各国应该如何对待钚后处理?


克劳斯·扬伯格(Klaus Janberg)是一位退休的核工程师,在职业生涯之初,他参与设计了钚燃料快堆,在退休前,他管理着GNS——一家在德国和其他一些国家开发和生产乏燃料临时贮存的公司。他曾就核燃料循环后端相关问题,在许多地方讲学。他具有工程、物理学和工商管理学位。

巴尔德夫·拉吉(Baldev Raj)现任印度国家高级研究院(National Institute of Advanced Studies)主任,该院位于班加罗尔,是印度领先的跨学科研究机构之一。拉吉曾经担任位于卡尔帕卡姆的英迪拉·甘地原子能研究中心(Indira Gandhi Centre for Atomic Research)主任,并曾参与印度的快中子增殖测试反应堆和原型快中子增殖反应堆的相关技术工作。他著有多种书籍和学术论文,曾获印度核学会终身成就奖和杰出材料科学奖。

P·R·瓦苏戴瓦·饶(P.R. Vasudeva Rao)自从2013年起担任位于卡尔帕卡姆的英迪拉·甘地原子能研究中心主任。他还担任该中心的化学组主任,负责快堆技术相关化学问题的研发,尤其是燃料循环。此外,他在霍米·巴巴国家研究院(Homi Bhabha National Institute)担任高级教授。因其对核燃料循环技术的贡献,印度核学会曾于2007年向他授予奖项。他具有孟买大学的博士学位,专攻锕系元素化学。

张会(Zhang Hui)是一位物理学家,他目前就职于哈佛大学肯尼迪政府学院的贝尔弗科学与国际事务中心,在“管理原子项目”(Project on Managing the Atom)中担任高级研究员,主持关于中国核政策的研究工作。


我对后处理的看法是如何转变的
Klaus Janberg

这个充满个人色彩的故事开始于1960年代末。当时我作为博士后工程师,正在参与一项短期研究项目,涉及位于卡达拉舍(Cadarache)的“凤凰”(Phénix)快中子增殖反应堆,这正是法国针对快中子增殖反应堆安全性的研究工作之核心研究设施。我和当时几乎所有其他核工程师一样,对诺贝尔奖得主、化学家格伦·西博格(Glenn Seaborg)的观点深信不疑:增殖反应堆和钚再循环将为世界提供无穷无尽的廉价电力,而这对环境的影响只会是积极的。因此,在卡达拉舍的工作结束后,我决定迁往当时在增殖反应堆和后处理方面明显处于领先地位的国家,来到位于加州桑尼维尔(Sunnyvale)的通用电气增殖反应堆开发部。

当时,铀正变得越来越昂贵。很多人说,铀也正变得越来越稀有。因而,钚的价值当时很高——至少对于军用,理论上对于民用也是如此。1970年,法国和德国决定通过1200兆瓦的“超凤凰”(Superphénix)反应堆,启动一项大型项目,以展示快中子增殖反应堆的商业潜力——那时,我感到有必要参与到这一欧洲项目中。所以,我再次搬迁,但这次我的职位在运营方——德国最大的公用事业公司RWE。在项目开始前的阶段,RWE给我一个机会,让我去当时正在德国卡尔卡(Kalkar)建造的SNR-300反应堆那里学习项目管理。

RWE还派我去法国的“凤凰”快中子增殖反应堆,跟踪其并网发电情况;这是为“超凤凰”项目所做的准备。从“凤凰”反应堆控制室向外看到的风景,是我美好的回忆(没错,控制室有一扇大窗户)。我可以看到罗讷河,以及从河对岸机场起飞的许多战斗机。那是一段美好的时光,充满着乐观态度。这种乐观态度似乎特别理所应当——适逢1974年,法国原子能委员会负责人、后来的法国工业部长安德烈·吉罗(André Giraud)宣布:“超凤凰”反应堆的国际建设即将开始。到1990年,计划建成另外两座1500兆瓦的快中子增殖反应堆。

但很快,我的乐观态度就开始遭到了一些挫折。为了更清晰地了解增殖反应堆和钚后处理的经济性问题,我做了一些简单的对比,比较了回路式增殖反应堆、池式增殖反应堆和轻水反应堆各自涉及的费用。我考虑的因素包括其建造材料、其按需改变电力输出的能力等。我所得的结论是:快中子增殖反应堆的成本最终总是高于轻水反应堆——至少高百分之30到50。我很不情愿地得出这样一个结论:商用快中子增殖反应堆在我这一代是不会成功的。

当然,除非燃料循环成本发生变化,可以挽救局面。就在1960年代末,英国原子能局开始以无人能敌的价格提供后处理——每公斤重金属仅15美元。欧洲辐照(Eurochemic)是一家欧洲的合资后处理设施,也开出低价。还有WAK——一家小型德国后处理设施,虽然其价格低廉,但在1971年的时候,一直难以获得足够订单。另一方面,铀的价格从1975年开始的数年内不断上升,使得西屋(Westinghouse)等以固定价格出售重载燃料的公司处境艰难。

然后,1976年,德国政府出台规定,使后处理成为了唯一合法的燃料循环后端途径。这迫使该国的公用事业公司采用后处理。但是,WAK是当时全德国唯一的后处理设施。所以,要符合政府的规定,就意味着必须依赖外国合同,而英国核燃料公司(BNFL,英国原子能局的后继者)在其接收设施的一场火灾后出现了产能短缺。我迁回德国,与COGEMA(法国核能公司阿海珐[Areva]的前身)进行后处理合同谈判,并在COGEMA能够开始接收乏燃料之前,查明乏燃料的贮存能力。同一时间,我们也开发了干式贮存桶,作为一种替代方法。

但到此时,也就是1978年,COGEMA只愿意按成本加成的条件提供后处理,其期望的利润率高达百分之25。与此同时,能抵御飞机和蓄意破坏的大型离堆贮存池还需要一段时间才能上线。此类贮存池也比干式贮存桶这种替代方法更昂贵。1979年,RWE已经放弃了离堆贮存池项目,改用干式贮存桶。

1982和1983年,COGEMA的大型贮存池上线,缓解了德国设施的压力。尽管如此,后处理的前途已变得暗淡无光。当COGEMA针对后处理向“超凤凰”反应堆业主开出了高得离谱的价格时,业主决定建设一个大型现场贮存池,用于贮存其乏燃料。那是快中子增殖反应堆在法国的真正终结——而不是在1998年政治意义上的关停决定。人们意识到了现实的成本问题。没有商用燃料循环的增殖反应堆是没有意义的。

1989年,德国的公用事业公司也意识到后处理将会带来无法承受的成本,哪怕不考虑配制钚铀混合氧化物燃料的开支。铀燃料的高燃烧率使后处理的经济性进一步降低。与此同时,铀根本不稀有这一事实也越来越明确。事实上,当时铀的价格再次回到了合理水平。此外,英国和日本的后处理项目也从未创造法国那般的生产成绩,后处理的经济前景已变得十分暗淡。

时至今日,在公用事业公司的资产负债表上,钚已不再是高价值资产,充其量可以算作零价值项。但是,除了在那些有可能成功开发廉价增殖反应堆和平价燃料循环的国家(中国、印度和俄罗斯仍然抱有此种希望),钚更可能是一种负价值项。人们不禁担忧,私有的公用事业公司可能受到自己持有的钚的羁绊。对于国有的公用事业公司,则是政府——更准确地说,是纳税人——将会受到羁绊。

会不会有一天,我们将发现西博格其实是正确的?我在30多年前就得出了结论,商用快中子增殖反应堆在我这一代是不会成为现实的。对于今天的年轻一代,这个结论似乎依然成立。而这一结论,甚至还未考虑到钚造成的核扩散威胁。


闭式燃料循环——为了可持续的核能
Baldev Raj    P.R. Vasudeva Rao

过去几十年间,铀和钚的后处理和再循环在许多国家引发了激烈辩论。包括美国、英国、法国、印度、日本、俄罗斯在内的一些国家,已经开发了后处理和再循环技术。包括印度在内的一部分国家,一直以来遵循着支持后处理和再循环的政策。这些国家采取这些政策,不仅是出于对铀资源有限性的考虑,更是因为认识到,后处理和再循环是确保核能源长期可持续性的最佳路径。

对于印度和中国这样的国家,若不开展后处理和再循环,核能的大规模扩张确实将是不可持续的。这些国家的铀资源也是有限的。在短期内,钍似乎不太可能成为能源生产的有价值资源。长期管理大量置于处置库中的高放废料,是不现实的。法国也有着持续不断的后处理和再循环项目,而俄罗斯正在推进高温处理,用于为其BOR-60反应堆生产钚铀混合氧化物燃料。

许多后处理的批评者认为,全世界现有的铀资源是充足的,因而使得燃料循环得以闭环并不是一个迫切需求。这是一种短视的论调。地球上现有的铀的数量——不论是在地壳中,还是在海洋海水中——都是有限的,因此核裂变能并非可再生。关于这个问题的唯一争论,涉及的是现有多少铀资源,能维持多久。由国际原子能机构(International Atomic Energy Agency)和核能机构(Nuclear Energy Agency)制作的铀资源“红皮书”显示,2013年全球铀资源总量为760万吨,以目前消耗速度足以维持约150年。但是,随着越来越多国家为满足自身能源需求而转向核能,铀资源消耗也必将加速。

暂且不论未来可能探明更多的铀资源,也暂且不论核能在未来的增长速度,结论必定是,依靠铀核裂变能,无论如何也撑不过几百年。相比人类可能将继续存在的时间长度,这并不是很长的时间。我们两位作者认为,当前这一代人对未来的世世代代负有责任,不应让世界的铀资源消耗殆尽。这就意味着,不能像今天这样,只利用了铀百分之1的能量,就将其弃为废物。必须进行后处理和再循环,使铀的百分之75(甚至更多)用于产生核裂变能。相较于铀的一次通过式利用,后处理和再循环有望使人类能从铀资源中获取核裂变能的时间延长至少50倍。

几个国家——尤其印度、法国、俄罗斯和中国——已经做出结论,快堆(可将热中子反应堆中生成的钚和贫铀用于发电)将是其未来核能计划的重要部分。“第四代国际论坛”(Generation IV International Forum,13国政府的一项共同事业)正在开发的创新核能体系六种概念中,有四种是基于快堆的。但是,不断有人提出反对后处理和再循环的论点。

除了铀资源在可预见的未来仍将充足以外,此类论点还包括,认为这种技术不成熟、成本高,还有核扩散担忧。但事实上,反应堆燃料的配制和再循环这一技术是成熟的,其发展已经达到了相当大的规模(虽然只是在一小部分国家中)。法国和印度通过大量的研发、稳定的政府政策、不断实施的工厂改良,已经证明钚后处理和再循环是安全、成熟的,其成本也是可接受的。与此同时,也可以方便地在燃料循环的设计中纳入防止核扩散的机制。可以设想一种分离方案,使来源于辐照燃料的铀和钚一同被回收,这样就不会产生纯钚,从而避免引发核扩散担忧。例如,在美国和俄罗斯都经过大量研究的高温处理所实现的裂变产物去污程度,低于水法PUREX流程(P指钚,UR指铀,EX指萃取),后者是目前为止核工业的主要依靠。这样就从内源上防止了核扩散。因核扩散担忧而采用一次通过式燃料循环,不再是令人信服的理由。

废料问题。在核能领域中,核废料管理是公众关注度最高的一个问题。在这一方面,一次通过式燃料循环有着两个严重问题。第一,由于一次通过式循环中的铀和钚在仅使用一次后就被弃置,因而造成更多的废料。这样就需要更多的处置库,以及这些处置库所需的不切实际的长期监控——公众对此想必是不欢迎的。第二,当今许多国家正在建设核能产业,但大多数国家都没有处置辐照燃料所需地理条件的场地。那么,又由谁来承担这些新建核能设施产生的乏燃料负担?

在计算各种燃料循环途径的成本时,必须将此类问题纳入考虑。通常,对比再循环和一次通过式循环的成本时,所基于的假设是铀的成本将保持在当前水平。但即便假定铀的价格保持几个世纪不变(不太可能),还是必须考虑到一次通过式循环更高的废料管理成本。同样,还必须考虑到,一次通过式循环将带来更多开采需求,造成更多环境破坏——如果铀和钚能得到再循环,则产生单位能量所需开采的铀矿数量就可减少。从全局角度看待成本问题,就可发现,后处理的成本并非人们经常描绘的那样高不可攀,后处理其实是有成本竞争力的。


中国核后处理:一条漫长而充满风险的路
Hui Zhang

自从1983年以来,闭式燃料循环一直是中国官方核能政策的一部分。支持者称,通过钚后处理和增殖反应堆,中国可实现铀资源的充分利用,从而大幅减少须储存于地下处置库中的放射性废料的数量,并找到方法消除反应堆池中日积月累的乏燃料。但是,北京在试图开发商用后处理设施和增殖反应堆时,却受到技术难度、严重拖延和成本超支的困扰。就目前来看,尤其考虑到中国的铀资源充足,还可以方便地从国外获取更多铀资源这一情况,后处理和快堆是否是中国核能领域未来前进的正确方向,令人很怀疑。

计划艰难实施。1986年,经中国国务院批准,计划在甘肃省酒泉核基地建设民用中试后处理厂。该厂设计每年后处理50吨重金属核乏燃料,于1998年开工建设,2005年竣工。但是,建设过程中出现了困难、拖延和超出预计的成本。2010年,在该项目获批24年之后,终于进行了一次热试。即便如此,在运行了仅仅10天、分离了不足14公斤钚后,又发现了新问题。截至2015年2月底,后处理依然没有恢复。有迹象表明,恢复运行后,该厂的年后处理能力可能远低于原先规划的50吨核乏燃料。

另外,中国核工业集团公司自从2007年以来,一直在与法国的阿海珐(Areva)就购买一座年后处理800吨重金属的商用后处理厂进行着谈判。已经签署了一系列协议,但价格仍然是突出问题。就中国是否应该进口商用后处理厂,中国的专家们也莫衷一是。有人希望尽快成交,也有人认为中国应该优先使用自主研发的技术,以保持独立。诚然,即便在与阿海珐谈判的进程中,中核集团已开始以中试厂为基础,规划一座中型示范后处理厂。这一提议尚未获得政府批准,但无论如何,阿海珐项目的未来尚不明朗。

在发展中试后处理厂的同时,中国也一直在努力发展商用的钚增殖反应堆。根据一份2013年以前的规划,增殖反应堆的开发是一个三阶段的过程。第一阶段是完成一个名为中国实验快堆的项目。第二阶段是到2020年左右,建成若干座示范快堆。最终,到2030年左右,将会部署商业化的快堆。然而,发展进度总是远远落后于计划。

中国实验快堆是一座钠冷试验快堆,采用的是为俄罗斯BN-600反应堆所开发的技术。该项目规划产能为20兆瓦,于1995年获批,2000年开工。与中试后处理厂一样,这座实验快堆在建设过程中遇到了许多困难。成本估算调整了两次,每次估算都比前一次翻番。该反应堆在2010年7月达到临界,到2011年7月,实现40%功率并网发电。然而,该反应堆仅上线了26个小时,所发电量仅相当于一个全功率小时。直到2014年12月,该反应堆才做到全功率运行72小时。从项目获批到全功率运行,之间相隔了19年。

作为其2013年前规划的第二阶段,中核集团于2009年与俄罗斯国家原子能集团公司(Rosatom)签署了一份协议,将共同在中国建设两个俄罗斯BN-800快中子反应堆。但是,北京尚未正式批准该项目。和法国的后处理厂一样,中国的专家们抱怨俄罗斯要价太高。这个项目是否会进行下去,尚不明朗。但是,在2013年,中核集团开始将注意力转向自主开发的600兆瓦中国快堆(CFR-600)。该项目预计于2017年开工,2023年开始运作,但尚未获得政府批准。

自从2013年以来,中核集团的专家们极力主张开发中国第一座商用反应堆——一座以CFR-600的经验为基础的1000兆瓦反应堆。但是,中核集团专家顾忠茂——一位闭式燃料循环的积极倡导者——在最近的一场关于东亚核能的会议中表示:“中国至少还需要20到30年的努力,才能实现快堆能源系统商业化,未来有许多不确定因素。我们无法清晰地描绘20年后的图景。”

何急之有?中国是否应该继续推进快中子增殖反应堆和商用后处理计划?有充分的理由可以说明为何应避免走这条路。首先,由于中国的大多数动力反应堆都是新建的,未来二十年北京在减少乏燃料负担方面的压力不大。而且乏燃料可以安全、低成本地储存在干式贮存桶中,或者安全地处置在深地质处置库中。

其次,在可预见的未来,中国不会面临铀资源短缺。2003到2012年间,中国已探明的铀资源从7.7万吨上升到了26.55万吨,增长了两倍多。中国潜在的铀储备超过200万吨。近来,北京也获得了大量海外的铀资源,大约有国内已探明铀储备的三倍之多。要增加更多此类铀资源也不难。

无论如何,铀的成本只占到反应堆发电成本的一小部分。简而言之,在可预见的未来,铀的成本不会上升到有必要投入成本进行后处理和建设增殖反应堆的水平。若中国担心其铀供应会受到潜在的干扰,则可以容易而廉价地建立起铀“战略”储备。

中国应该认真审视已经开展了大型后处理项目、建造了示范增殖反应堆、期待后续实现反应堆商业化的国家的经验。在那些国家中,后续并没有实现商业化,但为了清理后处理场地、处置分离出的钚,却造成了大笔开支。对于中国,没有迫切必要走这条有风险的路。

相比运作一次通过式燃料循环的轻水反应堆,钚再循环的花费高得多,而安全性和安保威胁性也低得多。对于核废料,干式贮存是一种安全、灵活和低成本的选择,可以使乏燃料后处理或直接处置的必要性推迟数十年,因此为技术开发争取到了时间。对于建设商用规模的后处理设施或钚增殖反应堆,中国的匆忙上阵缺乏令人信服的理由。


新时代,旧论点
Klaus Janberg

即便你已步入老年,生活依然给人带来美妙的惊喜。在我的圆桌讨论同事张会身上,我找到了精神上的中国“双胞胎”!事实上,我想向我们的同事巴尔德夫·拉吉和P·R·瓦苏戴瓦·饶提出的问题,正是张的第一轮文章的核心所在:为什么要匆忙上阵,采用增殖反应堆和后处理?1960年代和1970年代已经提出过的论点,已在多个国家被证明是不可靠的,为什么今天还要拿出来重提?

拉吉和饶的第一轮文章的基本观念是,全球铀资源是不够的。但是,以定值美元计,铀矿在今天比过去便宜。诚然,价格在福岛事故之前不久上升了,但在此后,价格大幅下跌,以至于许多矿场无法收回成本。矿场只能减产,也没有任何因素可以激励采矿业进一步勘探。在矿场能够再次投资之前,供应将吃紧,价格将上升——但即便不考虑短期波动,今天的铀产业仅仅要生存下去,就已经困难重重了。

已探明、易获取的铀储备足以满足未来数十年的需求。但是,拉吉和饶选择了以一个非常长的时间跨度来分析燃料供应——他们写道:“结论必定是,依靠铀核裂变能……撑不过几百年。”这种说法即便是真的,也表达出了一种对市场力量和人类创造力的极度不信任。历史一再证明,人类面临紧迫需求时,将会找到一条满足那种需求的道路。或者,现有方法将得到改进,从而争取到额外时间,用于研究与开发。

其实,今天正在开发中的许多能源技术,在未来可能会减少对核裂变能的需求。例如,太阳能光伏电池——虽然我不会说这是唯一的答案,但其效率正在稳步提升,成本正在下降;而核反应堆的成本则越来越高(芬兰奥尔基洛托[Olkiluoto]核电厂和法国弗拉芒维尔[Flamanville]核电厂的新建反应堆的成本已经增至原来的三倍多)。就此,难道拉吉和饶认为,人类在接下来15到20年间,不可能发明出有足够能力的电能贮存系统吗?这样的悲观态度竟然出自研究人员!

无论如何,针对未来可能出现的铀短缺,如果钚能够解决问题,那么也已经有了大量钚的库存。英国现有110多吨民用钚,而该国却没有可用这种燃料的反应堆。日本的存量大约为47顿(贮存于日本和别国)。法国拥有20多吨钚。未来核燃料短缺时,这些库存将起到十分有意义的缓冲作用。

拉吉和饶支持后处理的另一个原因是,他们认为后处理有助于减少核废料,坚称一次通过式循环相较于闭式燃料循环,将导致更大的废料量。他们说的没错——如果只是关注乏燃料,只考虑弃用矿场释放的热量。但是,后处理还涉及将废液和废气排放到环境中。而且,后处理还会产生玻璃状的废料,乏燃料组件的壳体和结构也必须废弃,后处理过程本身还有固化残留物。为了论述的完整性,还应该提及:拆除后处理设施之后,最终将会产生的废料。如此这般各种废料,使一次通过式循环明显在废料量上胜出。高温处理也无法有效改变这一情况。

最后,是核扩散问题。拉吉和饶写道:“因核扩散担忧而采用一次通过式燃料循环,不再是令人信服的理由。”也许,对于尚未签署《不扩散核武器条约》(Nuclear Non-Proliferation Treaty)的印度而言,核扩散并不是一个重要关切。但是,自从印度在1974年进行了“和平”核爆之后,对于许多其他国家而言,核扩散一直是一个严肃关切。那场核爆使用了反应堆乏燃料后处理而得的钚,引发了巴基斯坦、朝鲜、利比亚、伊拉克,乃至其他可能尚未指出的国家,纷纷开展核武器计划。我承认,时至今日,一些国家通过铀浓缩来生产裂变材料可能更为简单。但是,后处理即便不能从乏燃料中完全分离铀和钚,也依然是制作“脏弹”的最便捷、最迅速的途径,这将使监测工作变动更为复杂。我相信,与后处理相关的核扩散风险仍然存在,而且事实上正在加大。


不是是否,而是何时
Baldev Raj   P.R. Vasudeva Rao

在第一轮中,张会写道,中国不应匆忙上阵,进行后处理和增殖反应堆的商业规模开发。在第二轮中,扬伯格将张的论点推而广之,对本文作者提出了以下问题:"为什么要匆忙上阵,采用增殖反应堆和后处理?"但是,作为本文作者,我们并未论及采用钚后处理或增殖反应堆的紧迫性。事实上,我们的论点是,从长远角度,此类技术必然将得到广泛使用(假定全世界的铀资源将得到有效的使用)。本次圆桌论坛进行至此,张和扬伯格都未论及核能的长期可持续性。两位作者似乎都认为,核裂变能只需再生产几十年,就足以令人满意了。

扬伯格和张对于增殖反应堆和后处理的反对意见,部分是建筑于经济性的基础之上——尤其是铀的价格。但是,关于长期、可持续能源的讨论,不能完全基于当下的经济性。供给开始消耗殆尽时,铀价就将上升;这只是时间问题。但是,可能只有在自然资源匮乏的国家中,人们才能理解印度核计划之父霍米·杰汉吉尔·巴巴(Homi Jehangir Bhabha)的这句话:"能源代价再高,比高不过没有能源的代价"。也就是说,一种能源生产方式所造成的负担再重,比重不过缺乏能源的负担。

扬伯格还写道,"快中子增殖反应堆的成本最终总是高于轻水反应堆——至少高百分之30到50",在他的这个结论中,考虑的是短期而非长期经济性。扬伯格的结论下得匆忙了。这个结论的得来,是将一项成熟技术(轻水反应堆),与在可比规模上尚未得到证明的技术(增殖反应堆和后处理)相提并论。所以,当扬伯格这样表达自己的观点,写道"商用快中子增殖反应堆在我这一代是不会成功的",我们回应只能是,我们的关切不在于当前这一代,而在于未来的世世代代。

与此同时,张在第一轮中写道"相比运作一次通过式燃料循环的轻水反应堆,钚再回收的花费高得多……"但是,仅凭世界各地的后处理工厂的运作经验,还不足以作此论断。事实上,法国已经进行了一项商业规模的后处理和再循环项目,取得了良好成果。

废料和武器。在减少核废料量这一问题上,扬伯格和张对钚后处理和增殖反应堆的态度也十分冷淡。但是,一次通过式燃料循环所产生的核废料又该如何处理?两位作者都没有提起尤卡山(Yucca Mountain)——一座位于美国的核废料处置库,在其数十年的规划阶段中,曾遭到激烈的政治反对,这座处置库何时能开始运作,至今仍遥遥无期。如果所有拥有核能产业的国家都采用一次通过式燃料循环,则需要用许多座尤卡山来处置核废料。这似乎并不可行。所有国家都有空间建造此类设施吗?在数百年中,对此类设施进行监控、确保其安全性所需的费用又由谁来承担?

最后一点:扬伯格在第二轮中写道:对于印度,可能"核扩散并不是一个重要关切",印度1974年的核爆"引发"了许多国家开展核武器计划。扬伯格选择用这样的词汇讨论核扩散问题,令人有点遗憾。我们两位作者以快堆和燃料循环专家的身份参与本次圆桌讨论,并不是来阐述"印度立场"的。但既然扬伯格提出了此类问题,我们就要指出,印度是公认负责任的核力量,在核不扩散方面的记录没有任何污点。不论如何,在讨论核扩散时,必须分清后处理和再循环的区别。后处理是否会导致核扩散?这是具体国家具体分析的问题。但是,再循环是一种核不扩散方法。对于钚,难道还能想出比反应堆的核心更安全的地方吗?


长期理想与短期现实
Hui Zhang

巴尔德夫·拉吉和P·R·瓦苏戴瓦·饶的论点是,后处理和快中子增殖反应堆对于核能的长期可持续性是必要的。诚然,自从核能出现以来,快中子增殖反应堆就因其燃料产出可多于其燃料消耗,而颇具吸引力,尤其是对于那些认为有一天铀价将不再低廉的人们。遗憾的是,数十年的经验显示,钚再循环系统比水冷反应堆成本高得多,运行可靠性却低得多。如果说建立可持续的核能意味着有效地掌控重要的问题,如核安全和抵御核扩散,同时获得经济竞争力,尽可能减少放射性废料产出,以及合理使用自然资源,那么,要让增殖反应堆和钚再循环做出有意义的贡献,还有很长一段路要走。

拉吉和饶在第一轮中写道,对于印度和中国这样的国家,由于铀资源有限,“若不开展后处理和再循环,核能的大规模扩张确实将是不可持续的。”但一个国家自身铀资源有限,其核能发展并不一定受限制。事实上,可以这样描述全球铀资源分布:核能多的国家铀少,铀多的国家核能少。铀贸易自然就构成了一个全球市场。

在第二轮中,拉吉和饶继续写道,“关于长期、可持续能源的讨论,不能完全基于当下的经济性。当供给开始消耗殆尽时,铀价就将上升。”但是,过去关于铀价将稳步上升的预测,已被证明是错误的。即使需求上升了,铀价依然保持相对较低。从某种角度,这不足为奇——在过去一百年中,以定值美元计,大多数矿产的价格都有下降,即便开采增多。由于勘探增加和技术进步,使已知铀资源量增长速度超过了消耗速度。已知铀资源是一个动态的经济概念,长期而言,全球铀资源必定将大于目前“红皮书”中汇报的数量。

拉吉和饶支持钚再循环的另一个论据是,其产生的核废料量低于一次通过式循环。但是,钚后处理和再循环仍会产生高放废料、长寿命中放废料和低放废料。所有这些废料流最终必须掩埋,所以,后处理并不能消除对最终处置库的需求。此外,地质处置库的容量取决于废料的衰变热,而非废料的实际体积。因而,对于正在中国甘肃省计划建设的高放废料地质处置库,如果将所有超铀元素从核废料中分离出来,其容量只能翻一番——等上100年再掩埋废料,可以获得同等的增量。因此,与其建造一座昂贵的后处理厂,中国可以选择成本相对较低的干式贮存。另外,通过钚后处理,如果通过混合氧化物燃料将其再循环一次,最终只能微量提升地质处置库的容量。

关于增殖反应堆和后处理可能引发的核扩散风险,拉吉和饶写道,“可以方便地在燃料循环的设计中纳入防止核扩散的机制”,而干法后处理“从本质上防止了核扩散”。诚然,不同于传统水法后处理,干法后处理不会产生纯钚。但是,干法后处理的最终产物比乏燃料的放射性低得多。完成干法后处理之后,再分离钚就将是一个相对直截了当的过程——比起直接从乏燃料中分离钚更容易。拉吉和饶还将钚再循环——与钚分离不同——描述成一种“核不扩散方法”。但是,钚再循环和增殖反应堆需要首先分离出钚,而这样就可将其作为军用。实际上,印度在1974年的“和平”核爆,据称使用的正是为该国的增殖反应堆计划而分离的钚。即便政府无意进行核扩散,比起乏燃料,分离的钚遭偷窃或误用的风险高得多。

最后,拉吉和饶声称,“当前这一代人对未来的世世代代负有责任,不应让世界的铀资源消耗殆尽。”但如果当前这一代人无法确保当下的核电厂的运作安全和安保,那么为未来世世代代争取铀资源最大化又有什么意义呢?尤其是,如果靠通过增殖反应堆和钚后处理来做到这一点,而这些技术存在问题,还可能引发额外安全风险,这样做又有什么意义呢?


站不住脚的浪费
Klaus Janberg

在第二轮中,巴尔德夫·拉吉和P·R·瓦苏戴瓦·饶继续声称:钚后处理和增殖反应堆在减少废料方面具有显著优势。对于快堆和后处理的相关经济性挑战与核扩散风险,他们则轻描淡写。在这些议题上,他们的观点经不起推敲。

关于废料,拉吉和饶谈到美国的尤卡山核废料处置库至今未能启用。“如果所有拥有核能产业的国家都采用一次通过式燃料循环,”他们写道,“则需要用许多座尤卡山来处置核废料,”对此他们认为“并不可行”。所以,他们的论点是,通过后处理减少废料量难道不合理吗?但事实上,目前世界上没有一处运行中的、用于高放废料的地质处置库。所以,如果通过后处理减少了废料量,又有什么用呢?话说回来,正如我在第二轮中提出的,对于废料流的完整统计显示,一次通过式循环生成的废料量低于快堆和后处理。

不论如何,干式贮存是解决废料问题的一个更佳途径。一家典型的核能工厂运作50年,产生的废料若放在干式贮存桶中,可以在一家工厂的空涡轮机房中装下。此外,这种贮存方式不会产生后处理在运作和拆除时牵涉到的许多废料。

关于经济性,拉吉和饶写道:“仅凭世界各地的后处理工厂的运作经验,还不足以”作出它们比轻水反应堆和一次通过式循环更昂贵的论断。他们写道:“法国已经进行了一项商业规模的后处理和再循环项目,取得了良好成果。”我承认,法国为外国客户而建的UP3后处理设施是一个出人意料的技术成功。但在商业上,则完全是另一回事。由于我与该设施从某种程度上有着切身联系,因而我可以为此作证。曾经有一度,法国之所以能够与客户签订成本加酬金合同——客户承担所有风险,从授权到拆除——是因为客户所在国政府要求他们签署。这些合同若没有政府压力,当年绝不可能签成,而现在这些合同也已经或临近过期了。短期内没有足够的新客户,而法国国家公用电力公司对于填补这一订单荒并没有展现出多大兴趣。与此同时,其他国家的后处理设施——美国的西谷(West Valley)和英国的塞拉菲尔德(Sellafield)——则是彻底的败笔。

谈到核扩散,拉吉和饶辩称,钚再循环是一种“核不扩散方法”——但是,正如张会已经指出,钚在回收前必须先分离,这使得其相较于保存在乏燃料中而言,遭误用的风险高了许多。干式贮存仍然是一种更好的选择。乏燃料的高辐射性可在150多年间保护其免遭偷窃。难道一个半世纪不足以让人们决定是否真正有必要进行钚再循环?

我相信,在接下来30年中,快堆和后处理无法取得成熟的经济性,若分配大笔资金建设快堆,将是一种站不住脚的浪费。存在着其他更好的投资选择。我并不是说德国的能源转型(Energiewende)值得效法。事实上,我认为它非常浪费。但是,投资应该被引导向业已存在、有前途的能源选项——而非增殖反应堆和钚后处理。


闭式燃料循环:多数观点
Baldev Raj  P.R.Vasudeva Rao

克劳斯·扬伯格和张会并没有驳斥我 们为支持后处理和增殖反应堆而提出的中心论点:为了未来的世世代代,今天这一代人有义务不耗尽世界的铀资源。扬伯格和张却把注意力放在了经济性和废料问题 上,还有印度的核武器计划上——这偏离了上下文,本期圆桌讨论的目的是讨论一个主题,而不是讨论任何国家对这一主题的立场。

在张的第二轮文章中,我们也发现了几个技术上不准确之处。例如,张称“[来自钚后处理和再循环的]高放废料、长寿命中放废料和低放废料……最终必须掩埋,所以, 后处理并不能消除对最终处置库的需求。”这种说法完全不准确。事实是,只有高放废料才必须掩埋于深地质处置库。中放废料可以掩埋在比较容易建立的、较浅的 处置库中。低放废料则可以稀释和散播,完全无需处置库。这正是国际通行的废料管理方法(不只是印度的)。

张还提出,相较于闭式燃料循环,一次通过式循环并不需要更多的地质处置库空间——只要废料在干式贮存桶中贮存100年。这种说法依然离正确差的很远。大量文献清 楚地表明,经由一次通过式燃料循环,高放废料的毒性要降到天然铀的水平,需要数万年时间。但若经由后处理去除了超铀元素,则只需300年,毒性就能降到天 然铀的水平。这是一个基于放射性衰变本质的基础真理,不是轻易就能否认的。无论如何,张和扬伯格对干式贮存的强调,属于误入岐途。有没有任何方法可以保证 贮存在桶中的乏燃料在数百、数千年中的安全性?正如我们在第二轮中写道,钚最安全的地方是在反应堆内。干式贮存桶无法比拟。

现在还是以后。张 和扬伯格都没有注意到后处理的另一大重要优势,即可减少铀的开采需求。在核燃料循环的各个阶段中——包括最终的废料管理——开采给人类带来的辐射量最大。 2015年“核电厂进展国际大会”(International Congress on Advances in Nuclear Power Plants)最近于法国尼斯举行,会上的演讲和讨论都涉及了由贫铀和钚(通过后处理取得)驱动的核能体系,以及其在降低(甚至完全消除)铀开采需求方面 的潜力。

张在第二轮中写道,对于建立可持续的核能,“要让增殖反应堆和钚再循环做出有意义的贡献,还有很长一段路要走”。我们高兴地看到,张认为增殖反应堆和后处理在未来某一时 刻,有可能做出有意义的贡献——即便不是现在。这恰恰是我们论点的核心所在——增殖反应堆和钚后处理的大规模采用,不是“要不要”的问题,而是“什么时 候”的问题。全世界都需要能源可持续性,这就决定了“要不要”。“什么时候”取决于每个国家的政策、技术成熟度和能源需求。

就我们所知,没有一个国家认为永远都用不上闭式燃料循环。事实上,只有少数国家偏好一次通过式循环,这其中一些国家还倾向于完全淘汰核能。其他国家所持的观点是,闭式燃料循环目前在本国并不经济,或者目前并不必要。但这些国家也保留在远期采用闭式燃料循环这一选项。快堆和钚后处理的重要性频频在国际会议上得到承认,例如“核电厂进展国际大会”和“第四代国际论坛”(Generation IV International Forum)。这一多数立场的背后原因是,为了实现核能的可持续性——可持续性的要素包括经济性、安全性和废料管理——闭式燃料循环和快堆是必不可少的。


投入多,风险大,回报少
Hui Zhang

在第三轮中,巴尔德夫·拉吉和P·R·瓦苏戴瓦·饶声称我的第二轮文章有“几个技术上不准确之处”。我认为他们的断言属于误导。

例如,我写道“[来自钚后处理和再循环的]高放废料、长寿命的中放和低放废料……最终必须掩埋,所以,后处理并不能消除对最终处置库的需求。”拉吉和饶回应道“只有高放废料才必须掩埋于深地质处置库。中放废料可以掩埋在较浅的处置库中。”但是,通过钚后处理和再循环产生的长寿命中放废料,的确必须掩埋于深处置库(而短寿命放射性废料只需在浅处掩埋就够了)。然而,我的主要观点是,后处理无法消除对处置库的需求。但拉吉和饶基本上无视了这个观点。

拉吉和饶还曲解了我的一个论点:对于中国在甘肃省计划建设的高放废料处置库,如果将所有超铀元素从核废料中分离出来,其容量只能翻一番——而乏燃料等上100年再掩埋,可以获得同等的增量。拉吉和饶将经后处理的废料的毒性,与未经后处理的废料的毒性相比,以此来驳斥我的论点。而我在第二轮中关注的焦点,是中国计划将放置在甘肃处置库中的废料体积的减少。对于毒性,我未做任何声明。

总之,关于核废料的体积,我同意圆桌讨论中我的同事克劳斯·扬伯格的观点——他在第二轮中写道,对后处理和增殖反应堆的所有废料流进行统计之后,一次通过式循环“明显胜出”。

容易的选择。近来,快中子反应堆的支持者声称增殖反应堆与后处理可减少与高放废料掩埋相关的长期风险。但这种长期益处却被短期风险和成本抵消了。例如,增殖反应堆的支持者称,如果钚和乏燃料中其他超铀元素的所有长寿命同位素发生嬗变(或裂变),就能显著减少可能因泄漏而释放的核辐射剂量,因而就能降低地质处置库的泄露风险。但研究表明,乏燃料中的长寿命裂变和活化产物——而非可能通过快增殖反应堆和后处理裂变的同位素——占到泄漏可能释放的核辐射剂量的大多数。事实上,钚在地下深处的水中相当难溶。所以,在减少泄漏的辐射剂量方面,后处理并不能带来明显的长期益处,但却会在日常操作中释放来自乏燃料的长寿命辐射气体。后处理还会增加高放液体废料池的爆炸风险。(类似地,快中子反应堆的支持者称,后处理减少开采铀矿的需要,因而可以减少对人员的放射性辐射。但任何此类益处都被一笔勾销,因为钚后处理和再循环本身就将工人和大众暴露于辐射中。简而言之,净效果很可能是负的。)

与此同时,目前正在考虑中的所有后处理和快中子反应堆计划,都会显著增加核能的经济成本。这意味着,核决策者必须在以下两者之间做出选择:要小幅度降低与核废料相关的长期风险,还是要获得安全、安保、人类健康和环境方面的短期回报。该如何选择似乎相当明确了。美国国家科学院基于对后处理和快中子反应堆计划的成本和效益的评估,于1996年总结道:“各种关于剂量减少的收益,似乎都没有大到足以证明应该承担这笔费用以及嬗变带来的额外操作风险。”这一评估意见如今依然成立。

最后,拉吉和饶断言,扬伯格和我并没有回驳他们的这一论点:“为了未来的世世代代,今天这一代人有义务不耗尽世界的铀资源。”拉吉和饶写道,扬伯格和我“把注意力放在了经济性和废料问题上,还有印度的核武器计划上……”但为什么扬伯格和我不应该讨论经济性、废料和核扩散等议题呢?这些议题必须得到充分讨论,可持续的核能体系才有可能建立。即便像拉吉和饶那样,把如此多的注意力集中在铀的未来可及性上,如果廉价的铀可长期得到供应(很可能的情形),后处理还有意义吗?

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