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最早,但非最佳
轻水反应堆之所以占主导地位,并不是因为最好,而是最早。它最初开发是在20世纪40年代后期,当时要为核动力的船舶和潜艇提供紧凑型的发电设备。20世纪50年代,美国试图在原子能问题上扮演和平角色,于是创立了商业化的核能工业,轻水堆设计也由此得到改进和按比例增加。“轻水”是流过堆芯的普通水。它吸收了堆芯的热能,再传递给常规核蒸汽机轮,从而将热能转化为电能。
最后,这些反应堆组成一个更大的系统,补救了低效率的基本问题,因为如果只有单独一个反应堆,会很快自己产生毒物。随着连锁反应进行,铀原子裂变产生的碎片越积越多,为保证反应不断进行反应需要吸收的中子越来越多。也许18个月以后,燃料烧完了就必须移去反应堆,即使里面还有很多原始能量。
前美国能源部核能办公室负责人、美国核管理委员现任委员威廉•马格伍德说:“所以我们以前总想能有种回收二手燃料的基础设备,可以再次获得更多的燃料能量。”再处理工厂遍布世界。这些工厂回收用过的核燃料,再通过化学方式提取仍然可用的部分,多是铀-235,还有不可裂变元素铀-238吸收中子形成的可裂变元素钚-239,然后将它们变为新的反应燃料。最终,按计划会转变成新一代“增殖”反应堆,以使钚的产量最大化。唯一的废料是极少的强放射性裂变残留物,其中的放射性物质可能需要几个世纪才能衰变。处理时这些残留物将投入精心设计的混凝土贮仓。
马格伍德说,20世纪60年代到70年代早期,这种设想主导着美国的战略发展,当局不再将多数研究费用用于非增殖反应堆设计,比如熔盐反应堆。该方案运用广泛:目前全世界运营的437座核电反应堆里,有356座是轻水反应堆。
但是后来,到了1974年5月,印度测试了一枚核弹,其中的铀元素就是从核反应堆燃料中提取而来。世界各国政府突然间被迫面对一个地缘政治方面的事实:大规模商业化核燃料回收将导致肆无忌惮的核武扩散。因为每家再处理工厂都会处理成吨的钚元素,足以制造核弹。制造一件核武器只需要4到6公斤的钚。审查机构又如何确定谁都没有改变这些钚的用途?
所以,1977年4月,美国总统吉米•卡特禁止商用再处理。几年以后,新任美国总统罗纳德•里根废除了该禁令,但是回收成本非常高,所以从那时起,仅有两家法国的商用再处理工厂运营。大部分增殖反应堆的研究都停止了。因为没有了再回收,它们的存在就变得毫无意义。工程师们发现自己面临如何处理燃料废弃物这个棘手问题。由于铀-239的半衰期为2.41万年,现在他们要使上万吨二手核燃料离析,则需要几百个世纪。可是,还没人想到保证离析按时完成的方法。
与此同时,在20世纪70年代,对安全问题的抗议与日俱增。不管出于什么原因,只要流过轻水反应堆的水流受阻,热量就会困在堆芯。从技术上讲,即使关闭反应堆,核裂产物仍会在放射性衰变过程中产生热量,足以融化燃料,逃出反应堆。所有的轻水反应堆有紧急备用冷却系统,如果这种系统失灵了怎么办?1979年3月,这种担忧成为现实:宾夕法尼亚州哈里斯堡附近的三里岛核电站发生冷却剂意外事故,引发部分反应堆熔毁。2011年3月,日本福岛核电站发生核泄漏,反应堆堆芯全部熔化。这次事件也进一步证实了人们的忧虑。
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