主题：【翻译】可再生能源－－消除温室效应 1序 -- hwd99

24 核能

我们错误地将核能用于制造核武器，使核能成为恶魔。我人为这是绝对错误的。

Patrick Moore 绿色和平组织前主席

核能包括两类。一类是核裂变，我们已经知道如何使用它发电。核裂变使用铀，一种超重元素，作为燃料。我们还不知道如何使用核聚变来建发电站。聚变使用轻元素，特别是氢的同位素作为燃料。裂变是重金属核裂变成较小的核，释放能量，而聚变是轻元素核复合在一起构成较重的核，释放能量。

所有核聚变和裂变都有一个重要性质，每个原子具有的能量都百万倍于其化学能。这表明，核电厂需要处理的燃料和废物都很少，仅相当于化石燃料电厂的百万分之一。

让我们给出具体化的数字。英国平均每人每天消耗化石燃料16公斤（包括4公斤煤炭，4公斤油和8公斤天然气）。这意味着，煤炭都需要处理大量化石燃料，相当于饭量的30倍。包括从地下开采，运输，加工和燃烧。同时使每人每年排放二氧化碳11吨，等于每人每天30公斤。前面章节里，我们提到将二氧化碳捕集压缩成固体或液体，输送到某个地方储存起来。想想，一个人负责处理储存如此巨大数量的二氧化碳。每人每天30公斤二氧化碳是一个巨大的负担，是每人每天消费粮食的60倍。

比较而言，提供同样能量所需要的天然铀燃料仅仅是2克，核反应器仅使用了其中1%能量（所以近似1百万倍）。我们需要处理的矿石是200克（矿石含量1%），从而达到每人2克水平。这里我们可以看到，核电厂需要处理的物资少多了，“小的就是美的“，但是，这并不表明它就没有问题，它有美丽的小问题。

核裂变的持续能力

图24.1给出2007年全球核能发电数字，分国家或地区列出。单位是每人每天kWh。

核能是否可持续？或者说，人类释放能够依赖核裂变能量？全球核裂变能源资源有多少？我们拥有的裂变核资源是否能支持几十年，还是几百万年？

为了估算主要裂变资源铀，我给出了陆地和海洋所有可开采的铀资源量，除以60亿人，计算，如果用1000年，每人每天能用多少？

几乎所有可利用的铀资源都在海洋。海水中含量是每吨水中含有3.3克铀。加起来是45亿吨铀。我将海水中铀称为可利用的，是不精确的。我们无法接触绝大部分海水，而海水循环速度是1000年，没有人证明，从海水中工业化提取铀是可行的。所以我们分别估算陆上有资源和海洋铀资源量。

每公斤价格是130美元时，可开采的铀矿仅占千分之一。如果价格升高，则低含量的磷酸盐矿也能开采，以前在1998年前美国和比利时曾开采过。在估算铀资源时，我计算了常规和磷酸盐矿物，总量是2700万吨。如表24.2

百万吨铀

澳大利亚 1.14

哈萨克斯坦 0.82

加拿大 0.44

美国 0.34

南非 0.34

纳米比亚 0.34

巴西 0.28

俄罗斯 0.17

乌兹别克斯坦 0.12

总量 4.7

磷酸盐矿 22

海水 4500

表24.2 世界有资源 2005年一月

第一部分是确认的和估计的价格在130美元/吨以下的资源。还有130万吨废弃的铀，是以前生产中产生的核废料。

我们考虑两种方法使用铀，一种是常用的方法，能量来自仅占0.7%的U235，其它铀废弃掉。还有一种是增殖堆，建造费用大，可以将U238转变成Pu239，从每公斤铀中获得的能量增加60倍。

常规铀的核反应器，使用陆上铀矿

一兆瓦（一百万千瓦）常规电站每年需要铀162吨。所以用现有铀矿藏，按照60亿人计算，每人每天仅0.55kWh，等于136个核电站输出，仅仅是今天所有核电厂的一半。这也许低估了铀资源量。今天并不存在铀短缺，也没有刺激计划加大铀矿探查，自从1980时代以来，也没有进行多少探查活动，也许将来会发现更多铀矿资源。事实上，有文章估计，低品位的铀矿资源也许比2700万吨多1000倍。

我们是否可依靠铀资源？这很难说，因为我们对铀矿资源的估计很不确定。按照目前消耗速度，现有的，还可以用几百年。但是，如果我们不用化石燃料，使用核能替代，就必须增加40倍用量，显然就用不了几年。

快增殖堆的核反应器，使用陆上铀矿

在快堆中，铀的可利用能量增加了60倍。它可以利用U235和U238. 虽然我们不知道常规核反应器会消耗多少铀矿，但是，它们产生的核废料一样能在增殖堆中使用，因此，我们不用关心这个数字。如果能量增加60倍，则核能将为每人每天供应33kWh能量。虽然对待快堆，有多种观点，从非常危险的失败几率，到我们不久就能建造快堆，我没有能力来判断快堆技术风险。这里仅仅分析，表明我们需要其它方案。

常规核电站，使用海水中铀

如果海水中铀能够完成提取，使用常规核电站，可以得到的总能力是：

45亿吨/162吨*1百万千瓦年=28亿千瓦年

从海水中提取速度是多少？海洋循环缓慢，太平洋中下部一半海水循环到上部，需要1600年。让我们假设在1600年里，提取了10%有，则每年得到

28亿千瓦年*10%/1600年＝17.5亿千瓦

给全世界60亿人分享，是每人每天7kWh，等于现在3.7亿千瓦4倍。在假设提取能耗明显低于核反应堆产生的能量条件下，我的结论是，海水铀可以供应常规核电站相当长时间。

图24.6 来自有的可持续能量，为了比较，现在核能给全世界平均每人每天供应1.2kWh，英国是4kWh。

快堆，使用海水中铀

这时增加了60倍能量，变成每人每天420kWh，从而可以覆盖所有能耗。这需要两个很少研究的技术，从海水中提取铀和快堆。

使用河水中铀

河水中含铀，每年给海水增加32000吨。如果我们提取10%，就得到12亿千瓦能量，等于每人每天5kWh。

上述结果总结到图24.6中

成本如何？

本书基本不谈经济性。但是，由于海洋铀资源非常多，是最大的来源，这里有必要分析，使用海水中铀是否经济上可行。

日本研究者提出了以下提取海水铀的技术，成本是每公斤铀100－300美元。目前铀价格是每公斤20美元。因为铀含有如此多能量，铀成本增加5－15倍，对电能成本的影响较小。核电厂发电成本主要来源于建造成本。每公斤300美元仅增加发电成本0.3便士/度电。提取铀技术与其它技术集成，如电站冷却，可以降低成本。

这个技术能否规模化？处理海水的能耗是多少？在日本进行的试验中，使用三个装有吸收铀的材料的笼子，每个350公斤，240天可富集1公斤黄色铀饼。对应每年1.6公斤。笼子的横截面积是48平米。为了满足1百万千瓦核电站需要，我们每年需要160吨铀，所以，我们需要建设的吸收装置应该是日本试验装置10万倍大，横截面积达到4.8平方公里，含有35万吨吸收材料，比发电厂用的钢材还重。按照人均每天22kWh计算，1百万千瓦可以服务1百万人，每人每年需要0.16公斤有。也就是说，每人需要5平米吸收装置，这个计划，类似给每人配置10平米太阳能电池板。每个人配一个一吨车和相应的停车地。虽然投资巨大，但是不是那种令人可笑的规模。这个计算是针对常规核电技术，对快增殖堆，铀需要量下降60倍，每人需要的收集铀系统的吸收剂仅0.5公斤。

钍

钍也是一个类似铀的放射性元素。以前常用来制造煤气罩。在地壳中的丰度是铀的3倍。土壤中常含有百万份之六的钍，有些矿物含12%氧化钍。海水中钍含量很低，因为氧化钍不溶于水。钍在反应堆中能够完全利用。印度就利用钍。如果用光了铀，钍就是主要核燃料。

每吨钍能量是36亿kWh。也就是说，假设效率是40%，1百万千瓦核电站每年需要6吨钍。估计时间上钍资源是600万吨，是已探明量4倍，参见表24.7。与有类似，这个估算可能低估了实际量，因为今天来说，钍不是高价值的矿物。一样假设使用这些资源供应世界60亿人1000年，则每人每天得到能量是4kWh。

类似的增殖钍资源的加速器系统，由诺贝尔奖获得者Carlo Rubbia和他的同事开发，可以将6百万吨钍转换为15000TW年能量，等于每人每天60kWh持续1000年。按照发电效率40%计算，可得到给每人每天供应24kWh能量，持续1000年。而且增殖系统排放的废料放射性很低。而且，他们强调，可以得到比600万吨钍多得多的钍资源，他们估算是300倍，也就是说，可以供应每人每天120kWh能量6万年。

土地使用

让我们想象，英国不使用化石燃料，建设很多核反应堆。如果我们建设足够多的反应堆，从而完成交通和取暖的非碳化，我们能否将反应对安装到英国。核反应堆单位面积能量密度是1kW/平米。如果每人每天供应22kWh电能，则我们需要5500万千瓦核电站，每个占地1平方公里。占地等于0.02%国土面积。风能电站提供同样的电能，需要500倍土地，占英国陆地10%。如果沿海岸布置，英国海岸线，在5公里分辨率下，总长是3000公里，等于每100公里建两个核电站。虽然占地面积小，但是，占整个的海岸线比例很大，等于每100公里占用2公里（基于电站用水需要，建在海边较经济，译者注）。

清理核电站成本

清理部门给出的预算是未来25年20亿英镑。同时，核电工业给英国每人提供4kWh电能，持续25年，所以清理费用进入单位成本是2.3便士/kWh。这是一笔很大的成本，等于给海上风能补贴。

安全性

英国人很关心核电站操作的安全性。1994年建造，成本是18亿英镑，座落在谢菲尔德的THORP核电站，从2004年八月到2005年四月，因为管道破裂而泄露，向排水坑中排放了85000升富含铀的废液。这个排水坑安装了监测仪，可以监测泄露量低至15升的含铀废液，但是，没有监测出这次铀排放。因为操作人员没有检查监测系统，以确保安全系统正常工作。操作人员习惯性忽略了安全警报。

与安全系统相独立的是例行安全检查，应该检测到泄露一个月后的铀含量不正常。但是，操作员经常不做这些例行检查，因为他们感到太忙。而当他们进行检查时，如2004年八月28日，11月26日，2005年2月24日，他们也没有采取行动。

到2005年4月，已经泄露了22吨铀。这个泄露最终由会计发现，当会计师发现，他们得到的铀比供应商提供的少10%。感谢上帝，这个私人公司还在追求利润。核设施检查官感到羞愧，“电厂人情愿相信设备仪器，而不愿质疑这些设备会出问题。

如果我们让私人公司建造新核电站，我们如何确保高安全标准能够得到执行？我不知道。

另一方面，我们也不能让自己被核电站安全性问题吓到。核电站不是无限危险的地方。它危险程度类似煤矿，储存石油，燃烧煤炭，以及风能电站都是危险的。即使我们不能保证未来不发生核事故，我认为也应当与其它能用做比较。燃煤电厂一样使公众受到核辐射污染，因为煤灰中含有铀。根据科学杂志发表的文章，居住在燃煤电厂附近的每个居民所受到的核辐射大于居住在核电站附近的居民。

在评价电厂安全风险时，我们定义一个单位，每百万千瓦（GW）年致死人数，下面来看看它的含义。1GW年是一个GW电厂发电一年生产的电能。英国电厂总功率是45GW，简单说是1GW年。如果我们从电厂得到的消息是1GW年1人死亡率，则应该每年发电系统将杀死45人人。比较一下，每年英国公路造成3000人死亡。如果你对公路交通致死能够接受的活啊，你就会得出，上述电站死亡率是可以接受。当然，降低到0.1更好。相信石油钻塔悲剧，直升机在海水失事，管道泄露，炼油厂爆炸，煤矿事故，还有每年英国数十起与能源相关的事故。

下面来看看实际电厂致死率。不同国家差别很大，例如，中国煤矿死亡率是大多数国家50倍。图24.11是欧盟ExternE计划和Paul Scherrer研究所给出的研究结果，全面估算了所有能源生产的致死率。根据该图，煤炭，褐煤和石油的致死率最大，泥煤和生物质发电其次，致死率是每GW年1人以下，而核电和风电均在0.2以下。水电最好。根据Paul Scherrer研究所结果，水电最差，这是因为后者统计了不同国家。

图24.11 电车致死率

电厂内在安全

对核电事故的担心，工程师们设计时增加了很大安全措施。GT-MHR电厂，被认为是内在安全的，它转换热能到电能的效率大于普通核电站。

误解

两个广泛引用的关于核电站建设成本和废物处理的错误观点，让我们来分析一下：

建设一个核电厂，需要大量混凝土和钢材，从而产生巨大二氧化碳排放。

一个百万千瓦核电厂排放30万吨二氧化碳。将这个数字平均到25年寿命所发电上，我们可以得到：

二氧化碳排放量＝300e9克/(10e6kW*220000h)＝1.4克/kWh电

这比燃煤电厂每度电排放400克低多了。IPCC估计，核电站排放二氧化碳不超过40克/度电，包括建设，燃料处理和废物处置等。

不要误解我不是支持核能，我仅仅是进行算术计算。

核废料是巨大问题吗？

本章开始，我们提到，核反应堆产生的废料是很少的。英国十个燃煤电厂每年产生400万吨煤灰，相当于每个人每年约40升，而核废料是0.84升。大部分废物是低水平废物，7%是中等废物，3%，等于25毫升，是高水平废物。

高水平废物是非常危险的，通常在反应器中停留40年，放射水平很高，然后储存在池中，经过40年，放射性下降1000倍，继续存放1000年，放射水平才会下降到普通矿物水平。因此，储存工程师需要确保1000年储存安全。

这时非常难的问题吗？相比政府和国家寿命，一千年真是很长。但是体积很小，我认为，与其它废料相比，核废料十个小问题。每年每人25毫升，人一生下来是2升。乘以60亿人，等于105000立方米，等于35个奥林匹克游泳池。如果储存池升1米，面积等于0.1平方公里。

对人类来说，已经有很大禁区了。我不会穿过你的花园，你也不会穿过我的花园。在Balmoral，我们不受欢迎，到处是“禁止入内”标记。街道，机场，军事设施，废弃矿井，等等，都是禁区。再增加一个0.1平方公里的禁区，也许设在地下，限制1000年，又会如何？

每人每年25毫升高危险核废料，其它废料数量是，每人每年生活废料517公斤，危险废物83公斤。

比较新建核电站与现有核电站也是常用办法。下面是英国的数字。关于高放射核废料体积问题的计划估计，到2120年，现有核设施排放废料体积是478000立方米。其中2%约10000立方米是高水平废料，包括1290立方米+8150立方米用过燃料，占放射性92%。建设10个新核电站（1百万千瓦）将增加31900立方米，等于10个游泳池体积。

如果我们建很大核电站，会不会引起全球变暖，因为过多能量释放到环境中了。

这是一个有趣的问题。很容易回答。第一，请看第20页提到的全球能量平衡数据，地球大气，海洋和陆地一共吸收的太阳能是238W/平米；大气二氧化碳浓度加倍，仅增加4W/平米，增加了1.7%热量，引起气候变暖。太阳本身11年周期波动的能量变化是0.25W/平米。让我们假设100左右，实际人口是100亿，每个人使用能量的达到欧洲人的标准，每天125kWh，每个人平均拥有51000平米，得到结果是人类使用能量，贡献的额外能量是0.1W/平米。仅仅等于4W/平米的四十分之一。小于太阳能量波动范围。在这些假设下，人类使用能量对气候影响可以忽略。

我听说，核能建造速度慢，不能作出有效贡献。

快速建造核电站问题被夸大了。有人比较了实际建造速度与建造速度要求，但是基本数据只有一半是对的。卫报环境编辑总结了一个来自牛津研究集团的报告，“未来建设能对全球碳排放削减有意义贡献的核电站，工业界必须在60年内检查3000个电厂，等于每周建一个。这是不可能实现的，历史上一年最多建3.4个。3000对3.4，确实相差悬殊！这里应用了玩魔术技术。比较不仅比较时间，而且需要比较区域。3000对应的是全球，而3.4对应的是一个国家（法国）。

公正的比较方式应该是比较全球。法国拥有的核电站59个，全球一共429个，差不多占十分之一，等于增加10倍，达到一年建34个。而60年建3000个，等于一年建50个，因此，所谓不可能做到是误导。是的，这是一个很大速度，但是，与历史上能做到的水平相差很小。

真正应该比较的是世界历史上最大建设速度，看图24.14，显示了世界核电站数量随世界变化情况，数据显示，到2007年仍在运行的核电站，最大建设速度是1984年，为一年30GW，等于30个1GW电站。

核聚变如何？

我们说，我们将把太阳放入一个盒子中，这个注意真好。问题是，我们不知道如何建造这个盒子。

Sebastien Balibar, CNRS 研究主任

核聚变还处置试验阶段。我认为，假设能够解决聚变问题是轻率的，如果真的解决了问题，我会很高兴，来估计聚变能够提供的能量。

通常认为两种聚变反应最有前途，它们是：

氘氚反应，氘原子与氚原子聚合，形成氦原子，及

氘氘反应，两个氘原子聚合形成氦原子。

氘是自然界中氢的较重同位素，可从海水提取。氚是氢的更重的放射性同位素，半衰期仅12年，自然界数量很少，可从锂原子来制造。

ITER是国际上计划如何制造一个稳定工作的聚变反应堆研究计划。原计划试验氘氚反应。氘氚反应比氘氘反应好，因为能够得到更多能量，反应温度仅1亿度（怀疑是1千万度，参见http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fusion 译者注），低于氘氘反应温度3亿度。太阳内部最大温度是1500万度。

让我们幻想，ITER计划成功了，我们来计算一下，可以得到多少能量。试验氘氚反应的电站，试验锂做燃料，等锂用光了，就没有燃料了。这时，只能使用氘氘反应，使用氘做燃料了。

我将这两类幻想称为锂聚变和氘聚变，分别估算这两种方案所能提供的能量。

锂聚变

世界地壳锂资源是950万吨，按照使用1000年，等于每人每天10kWh。海水中还有大量锂，含量是0.17ppm，假设提取每克锂能耗是2.5kWh电，提取速度是每年10万吨，反应器需要输入能量是每克2300kWh电，则每人每天得到能量是105kWh。按照这个速度，海洋中锂可使用1百万年。

氘聚变

如果我们假设科学家解决了氘氘反应问题，那绝对是个好消息。每吨水中含有33克氘，每克到能释放10万kWh能量。海洋中的水平均给每个人是2.3亿吨，我们可以推倒得到，即使世界人口增加10倍，，每人每天供应30000kwh能量，可以持续1百万年。

• 【索引】有关“全球变暖”问题的讨论整理汇总(三)