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这一个阳春三月,最吸引人的两个字当然是——核,战。
东边的太平洋,地震引发海啸,还引发了更大灾难,核泄漏。英俊的枝野幸男频频出来安慰大家,可是状况却随着他的话越来越严重。爆炸时说反应堆没事,结果现在几个堆芯熔毁;安全壳没问题,随后却飘出碘、铯,现在钚都出来了。“政府无任何隐瞒”,东京电力的过失“绝对不可原谅”。也许现在的状况仍旧是一个公司的事,还用不着一个国家一个政府来负责。
西边的北非,则在一连串游行示威后引发了一场军事冲突。利比亚反对派突然跳出,抢夺武器、策反官员,气势如虹。就在大家猜测卡扎菲是不是已经出逃时,政府军却反手挺进到班加西,“一切都会在未来48小时内结束”。有人坐不住了,特别是已经急着承认反对派的萨科奇。连哄带骗得到禁飞区授权后,西方不顾空中只有反对派战斗机的事实,干起了对地攻击的活。炸坦克、轰车队,反对派死里逃生,狐假虎威之下重新打到卡扎菲的老家。然后他们又受阻了,下一步谁能赢呢?
非常万幸的是,一东一西两地相隔遥远,“核”、“战”二字也没有靠成一个词,让我们最害怕的词。
这边,时不时地弹一下大家的神经,那边,你来我往地戏剧性交锋。大家的神经也随着新闻报道的持续而逐渐粗大,恐怕很多人已经不在为它们俩揪心。不过在这些新闻的背后,我们还是有很多道道不清楚,许多知识不明白。
利比亚之战,媒体、专家们给出了四种结局。不管什么结果,不管北约空军怎么炸,最后关键的还是地面如何解决。卡扎菲不会告诉你他在如何排兵,反对派可能说不清该怎么布阵。我们只能通过以前的资料,还有新闻媒体里出现的各种照片,来看看他们双方都有些什么家伙什。
日本反应堆引发的疑问更是一大堆。核电站厂房里究竟有什么,为什么会泄漏出钚?我们现在不必担心核辐射的危害,可兵器上常说的三防三防,第一就是核,那么军队碰上核辐射后该怎么办?美国航母不就是因为检测到核辐射,一撤百里吗?说到军队,日本军机迎接风浪的壮举着实让人有点困惑,是无能为力,还是反应迟钝?军舰倒是没什么损失,是不是海啸对海军舰艇和基地来说并不算大危险?还有反应堆究竟分几种,哪种更安全,哪种能造核弹?德国州选举因为核电建设问题而引发变数,那是否意味着核电站不该建了?
对于这个题目,大家多半知道结论是否定的核弹头、战略核潜艇继续存在下去几乎不需要理由,对于似乎可以讨论其存在价值的民用核能,实际上也没太多的讨论余地,这不仅因为核能带来的巨大好处,更因为所有核国家围绕核领域都已形成巨大的产业群在这些利益集团面前说出“后核时代”这几个字几乎是“挑衅”,因此本次讨论不奢望核能利用的步伐会被改变,而只是再次分析其风险与代价
先谈谈核电站与核潜艇常用几种堆型的对比
贺:从1954年美国建成“鹦鹉螺”号和苏联建成核电站至今,全世界已建成500余艘核潜艇和近500座核电站,95%以上都是压水堆。压水堆的优点是其它反应堆无法比拟的。用水做慢化剂效果很好且相对廉价。压水堆工作稳定,安全性、可靠性好。水的热物理性质普遍被各国掌握,水对反应堆系统中各种设备如水泵、热交换器和阀门等没有特殊要求。压水堆一回路压力是近200个大气压,系统中的一些设备是高压设备,坚固耐用。核电站采用压水堆,这些设备仅靠自身指标就能抵抗地震的冲击。
日本核电站有相当一部分采用沸水堆,沸水堆是否不适于在潜艇上用?
贺:沸水堆不像压水堆那样采用一回路和二回路,而是仅仅采用一个回路,省去了蒸汽发生器。沸水堆的回路压力有六七十个大气压,管路、阀门等系统设备不用像压水堆中的那么强,成本就可以低一些,这本是它的优势。但采用沸水堆的核电站为了防地震冲击,这些设备必须加强,因此沸水堆的这个优势就不存在了。
沸水堆内产生的水蒸汽直接送入汽轮机发电。高放射性的水蒸汽在推动汽轮机转动之后,冷却凝结成水,再被送回反应堆内部。在反应堆压力容器到汽轮机这个大范围内做到严格密封极为困难,在潜艇上更是难上加难。汽轮机、管道和各种设备都受到放射性沾污,都要屏蔽。从工程角度讲,密封和屏蔽最困难的是轴封的处理。轴是处于转动状态的,密封和屏蔽过于紧密,不利于轴的灵活转动,过于宽松则会发生放射性泄漏。这些问题很难根本解决,所以目前核电站很少用沸水堆,而至今为止各国建造的500余艘核潜艇上从未装过沸水堆。
液态金属堆在潜艇上用过,核电站上似未见用过
贺:目前只有美苏的核潜艇用过液态金属堆。实际应用的只有两种,美国于1957年建成的SSN-575“海狼”号核潜艇装的是S2G型钠冷堆,苏联于1963年建成的645型K-27号核潜艇、1977-1981年建成的6艘“阿尔法”级装的是VT-1型和BM-40A型铅一铋合金堆。液态金属堆功率密度较高,外形相对较小,适于装在潜艇上。但体积相对较大的压水堆对于核电站不成为问题。另外,液态金属堆的事故发生率和严重性也比压水堆高。为避免严重事故,液态金属堆必须要用许多专用设备,使系统造价和运行管理成本高于压水堆,因此核电站更适合用压水堆。
王:比起压水堆,液态金属堆传热性能高,中子吸收截面较低,反应堆体积较小。另外,液态金属的沸点远高于水,比如铅一铋合金沸点高达1670℃,因此一回路中流动的液态铅一铋合金无需加压就可使反应堆出口温度达到400~500℃之高。一回路保持低压状态可以简化反应堆的结构,提高可靠性。
不过,它的优点也正是它的缺点。液态金属堆沸点高,熔点也高。采用液态金属堆的核潜艇在码头停靠时不能停堆,至少给它提供高温蒸汽维持管路高温,使液态金属处于流动状态,否则一旦凝固就不可修复。即使重启反应堆,但热量无法被凝固的管路导出来,液态金属就无法熔化重新流动,而且堆芯温度过高将是灾难性的。
液态金属堆的密封性也极其重要,因为液态钠有很强的腐蚀性。美国SSN-575“海狼”号在运行期间曾发生过一回路泄漏事故,原因是液态钠将一回路管路腐蚀,少量液态钠泄漏出来。当时在发现泄漏之后,技术人员花了3个多月时间查找故障。液态钠十分活泼,一旦泄漏出来与水接触,将产生爆炸事故,整艘艇都可能致命。
1968年苏联K-27号核潜艇在巴伦支海进行水下航行时,液态金属堆的蒸汽发生器泄漏,导致反应堆管路网被堵塞,堆芯温度迅速上升,有20%的燃料棒熔融并破裂。高浓度的放射性气体向各舱室弥漫,艇员冒死抢修,9名艇员死亡。
您曾接触过东京电力公司的核技术人员,您感觉他们的水平如何?
贺:日本从1963年开始到如今,核电历史已近50年, 培养了几代核电技术人员。他们与我个人接触期间,给我的深刻印象是技术水平很高、经验丰富,而且有强烈的敬业精神。像我们国家核领域有认证资质的从业人员中,在核电站的实践经验上比日本工程技术人员差很远。
核潜艇退役后的处理是否比核电站事故处理更麻烦?
王:与核电站事故处理相比,核潜艇退役处理涉及方面更广。首先,虽然各国核电技术领域仍保留一些技术秘密,但是核电站比核潜艇还是有更大的开放性。国际上可以共同交流核电站退役的经验教训。如果核电站发生较大事故,其它国家可以参与共同处置。但是核潜艇在政治方面十分敏感,包含大量技术秘密,因此核潜艇国家往往是独自对退役核潜艇进行处置。另一方面,目前即便是美国,也在处置退役核潜艇方面投资不足,俄、英、法更是捉襟见肘。资金窘迫使得核潜艇退役处置的各种方案深入研究受到影响。据世界绿色和平组织近年来调查,虽然核潜艇国家每年投入数十亿美元,但至今没发现一个国家提出有效的处置退役核潜艇方案。
目前各国处置退役核潜艇的基本方案有四种。
第一种是地下深埋。即把核燃料取出之后,另存其它场所。然后把核潜艇拆卸成若干部分,包装后运往深埋场地。美国在其国内的沙漠地区利用深埋方式已经处置了2艘退役核潜艇。英国政府认为陆地深埋是一种长期有效的方案。目前英国正在考虑一种过渡性办法,就是把退役核潜艇的反应堆舱整体切割下来在陆地上存放,但在国内寻找合适的存放场地却让英国政府头痛,至今没有头绪。陆地深埋的最大困难是,从事拆卸的人员可能会受到辐射,在拆卸过程中必须保证完善的屏蔽设施。另一困难是,被拆卸的核潜艇部件必须存放在专用储存箱内,然后才能运往掩埋场地。制造专用的储存箱及在运输途中的安全防护措施需要高额费用。此外,对深埋地点选址必须考虑多方面因素,在对核潜艇进行掩埋之前还需要进行技术处理。这些都增加了陆地深埋方案的复杂性。因此,目前只有美国在这方面进行了少量退役核潜艇的处置。
第二种方案是整艘核潜艇地下浅埋。所谓浅埋也得覆盖30米深。由于核潜艇直径至少10米,因此需要在陆地上挖一条深度40米以上的沟,然后把取出核燃料的核潜艇不经拆卸分解,整体放置在沟壑里掩埋起来。没取出核燃料时,核潜艇是绝对不能掩埋的。尽管核潜艇本身的反应堆舱段有屏蔽作用,但掩埋后就无法人为测量检查。一旦有泄漏,辐射可能污染地下水系,并循环上来造成地面污染,因此掩埋的必须是除去堆舱的核潜艇。
这种方案比起前一种方案来要省工省时,而且不必采取那么严密的放射线防护措施。不过这种方案的困难是如何把整艘核潜艇长途跋涉运到掩埋地。核潜艇的直径都近10米,像“俄亥俄”级超过12米,列车无法装载。而且核潜艇反应堆舱段非常沉重,这是和运载火箭铁路运输的区别。用巨型工程拖车也不可行,很多桥梁、道路不可能承受几千上万吨的重量。还有,列车运送途中必然经过很多城市,辐射风险很大。因此,这种方案只能在距海边较近的地区选择掩埋场,但沿海地区人口都很稠密,在这里浅埋也有很大风险。20世纪80年代末,美国政府曾经在华盛顿州划定了面积为570平方千米的一个场地作为退役核潜艇浅埋场地,并有4艘退役艇被运到该地浅埋。
第三种是整艇沉海方案。当然,核潜艇在海上出事沉没不在此列。这种方案是把核燃料取出后,将整艘艇包括反应堆一起沉入深度超过3000米的深海中去。或者把核燃料连同反应堆舱段取出后把整艘艇的艇体沉入深海。这种沉艇不是直接灌水让潜艇沉下去,因为海水腐蚀艇体,核燃料就可能泄漏。因此要用水泥至少将潜艇反应堆舱段内灌满,潜艇外部也尽量封住,这样沉下去就能保持核燃料的密封性。许多专家认为,这种方案危险性最小,实施相对简便,费用也较少,沉在3000米深海底对环境和人类影响也小。但是,世界环境保护组织强烈反对,认为潜艇一旦破损,在3000多米深度上无法补救,泄漏会污染海洋并进入人类的食物链,造成永久性严重威胁。国际海洋组织于1983年缔结的公约严禁向海洋倾倒放射性核废料,因此该方案难以实施。
第四种是最简单的一种,即把退役核潜艇原封不动地停泊在某些人烟稀少的港口或码头边。由于核潜艇本身有足够的屏蔽结构,另外可以定期检测,浮置状态的核潜艇不会产生污染。英国第一艘核潜艇“无畏”号于1982年退役后便一直浮置保存在罗赛斯海军造船厂的船坞中。有关部门对该艇进行持续监测,辐射剂量非常低。英国一些专家估计“无畏”号可在船坞中浮置近百年而不发生泄漏。然而这一切都是在理想状态下得出的结论,谁能保证所有退役的核潜艇在浮置存储期间不会遭受意外呢?
这四种方案各有利弊,难判孰优孰劣。四种方案都涉及到对核燃料的处理,在这方面美、俄、英、法做法不同。
1982年,英国的“无畏”号核潜艇退役之后,相继有13艘核潜艇退役,都浮置存放在英格兰西南的德文波特和苏格兰的罗赛斯,等着英国最终的处置方案。英国国防部的政策是将这些艇浮置存放而不是拆解。不过,浮置存放期间需尽快把核燃料组件取出,存放在钢制容器内。然后再把这些钢制容器用铁路运到英格兰西南的赛拉菲尔德,这里有英国核退役机构专设的核燃料长期存放设施。运抵后,铀棒燃料组件在水下状态从钢制容器中取出,不对其进行任何处理,将其保持在水下状态。铀棒燃料组件的长期存放设施是一些大型水池,储水深度为4~5米。在水池中长期存放的铀棒燃料组件,其温度保持恒定,而且水池周围设置了生物屏蔽设施。赛拉菲尔德的存放水池可存放约3000个铀棒燃料组件。
英国政府认为这是一种切实可行的短期处置办法,但可能与英国预定的核潜艇退役时间表矛盾。按英国现役核潜艇退役计划,到2020年,退役核潜艇数量可能超过英国能提供的浮置存放能力。
英国另外一种处置退役潜艇核燃料的方案是把核废料深埋在200-1000米的地下,岩石结构对埋在那里的核废料的放射性形成屏蔽作用。不过这些方案都有不足,因此对英国而言,浮置存放在今后仍是较稳妥的方案。
法国目前的基本处置程序是,核燃料从艇上取出后,被送到瑟堡附近的阿格角地区的存放水池中。目前法国也未制定出长期保管办法,水池存放也是过渡方案。核燃料被取出后,堆舱及其它设备被拆除,潜艇被送到船坞解体。法国舰艇建造局的专家认为,切割下来的堆舱的放射性经10~15年便可衰减到容许程度,其后就可进步处置了。1998年法国处置退役的“可怖”号时,从艇中取出核燃 料及切割反应堆舱花费2500万美元。如今对一艘艇采取同样处置,费用要远高于这个数。法国也缺乏这方面经费。
俄罗斯在20世纪90年代中期时就有160余艘核潜艇退役。这些艇很多还没到寿命,只是因为军方没钱而被退役。这160多艘艇,核燃料没取出就浮置在码头边上,而且一直存放十多年。处于远东地区的俄太平洋舰队的退役核潜艇,存放状态非常恶劣。这些地区经常受地震、台风和海啸侵扰,有可能使浮置的潜艇脱离系泊,漂到公海造成大范围污染。为此,联合国国际原子能机构决定帮助其处理。美国怕俄罗斯日后有钱了再将这些退役核潜艇重新发动起来,也曾逼迫日本掏钱帮着俄罗斯拆解这些艇。仅在2002-2006年,俄罗斯就投入2.5亿美元,国外合作伙伴投入313亿美元。到目前,由外国资助处置的苏联退役核潜艇共51艘。国际上还向俄提供了许多设备。美国向俄提供了在退役核潜艇上回收电缆的设备以及从艇上取出核燃料的设备。
俄罗斯核潜艇退役后,取出的核燃料先送到摩尔曼斯克的核废料场,积累到一定数量时用铁路运往3000千米以外的车里雅宾斯克核废料处理厂。再处理过程中,首先把金属核废料浸泡在酸液中使其溶解,这样核废料便转为液态,然后从中把铀和钚萃取出来,剩余的高放射性液态核废料被装进专用玻璃容器,存储在地下的巨大水池中。
但是,俄罗斯这方面有许多问题。比如装废料的专用运输船及集装箱严重不足,影响运量。资金窘迫也使运输条件及车里雅宾斯克核废料处理厂的设备难以改善。实际上目前俄罗斯已停止从退役艇上拆除核燃料,将废料运到处理厂的工作也停了。
美国在处置退役核潜艇方面最有经验。冷战后,美国有124艘核潜艇与核水面舰艇退役,其中115艘的反应堆舱被切割移除,118艘得到了回收再利用。
当前,美国共5家造船厂从事退役核潜艇处置工作。这些船厂既能取出核燃料,也有能力拆解核潜艇,其中两家还能进行回收再利用。艇体被切割解体之后,制成艇体的高强度钢材可以再利用。
美国对一艘核潜艇的燃料棒提取工作要耗时大半年为什么如此麻烦?
王:铀燃料棒在刚制造出来尚未激活时没有放射性。我曾多次摸过铀燃料棒,银白色的,比铁要沉一些。一旦铀棒在核电站或核潜艇上被激活启用后,它就带有放射性了。取出核燃料的做法,美国基本与法国相同。先在反应堆舱上方艇体外安装一个安全罩,里面有过滤通风系统,可供人员在里面安全抽取核燃料棒。抽出后立即放在屏蔽容器内,用起重机吊起送入船坞旁边的安全容器内,再把安全容器放进专门设计的集装箱内。然后,船厂开始切割堆舱。这时需要同步排空堆舱内的所有管路,将反应堆舱完全密封起来。切割时,必须连同堆舱前后两端的隔壁作为一个整体切割下来。反应堆舱两端的隔壁可起到附加的密封作用。美国“鹦鹉螺”号在拆除反应堆舱后在此位置又安装了同比例模型供游人参观。也就是说艇上其它舱段没有放射性,很安全。
反应堆舱切割分离后,被装在驳船上送到汉福德核废料处理场。从1986年到1998年,汉福德核废料场已掩埋了71个退役堆舱。
到1992年4月为止,美国能源部已处理了10万吨重金属,将裂变材料回收利用。由于冷战后军用核材料用量大减,因此美国目前暂停对废弃裂变材料的回收利用,而是把废弃核燃料存放于水池中。初步计划是存放10~40年后,必要时再进行处理。目前在美国处置退役核潜艇,大约每艘艇需要2000万美元。
核燃料用尽后,核潜艇艇体部分是否还有寿命?切割下反应堆舱段后,改装成大型常规潜艇是否可行?
贺:核潜艇退役基本上分正常退役和非正常退役两种。核潜艇服役时间基本是30-40年,也有一些艇服役时间仅为20余年甚至10余年。退役主要是由于几方面。第一,艇体材料老化、腐蚀,潜艇的下潜深度受到较大限制,无法达到最初的设计指标。第二,艇上各种系统设备老化,艇内的结构形式和布局无法支持系统设备更新换代或性能升级。第三,艇体状态与换装的核燃料使用寿命不同步,在这种情况下,有时是宁可让核潜艇退役也不再换装核燃料。第四,国际形势变化,有的核潜艇难以适应新的形势,只好退役。这四种情况,前两种是正常退役,后两种属非正常退役。
如果一艘核潜艇到达正常退役阶段时,这时艇上的各种系统、设备和耐压艇体材料基本上也达到了使用极限状态。此时从效费比看,把它改为其它用途的潜艇已不适宜。如果一艘核潜艇是非正常退役,虽然艇上各种系统、设备和耐压艇体材料仍然良好,但是核潜艇的动力系统及辅助系统的规格参数都远高于AIP潜艇或柴电潜艇,艇上一些重要设备也都是根据核潜艇的动力指标设计的,与常规潜艇区别很大,因此把原有堆舱位置换装柴电系统很难匹配,会影响整艇性能。更换核潜艇的主要系统设备所需费用也相当可观,与其将退役核潜艇废物利用,不如新造艘常规潜艇。
如果说战略核潜艇地位和性能要求特殊,无法被其它平台取代,那么攻击型核潜艇今后是否会被AIP潜艇取代?因为后者的运用便利性及安全性远远胜过核潜艇
贺:核潜艇在今后很长时间内都仍会对AIP潜艇拥有绝对优势。从潜艇几种主要性能指标看,AIP潜艇能与核潜艇匹敌的,仅仅在于综合隐身性:能的个别方面。潜艇的综合隐身包括声和非声隐身两方面,目前AIP潜艇如燃料电池潜艇的声隐身性能稍稍优于某些核潜艇,但是美国“海狼”和“弗吉尼亚”级的声隐身性能已经与AIP潜艇没什么区别了。这说明核潜艇继续发展下去,目前AIP潜艇的声隐身优势也将丧失。而且从水下连续航速、水下探测能力、武器装载数量等性能看,AIP潜艇与核潜艇差距很大。当前世界上最优秀的AIP潜艇的水下最高航速也才20节左右,以这个速度只能航行1-2个小时,以4-6节只能航行最多3星期。而攻击型核潜艇能以30节无限制航行。由于核潜艇能源充足,可以保证大功率综合声呐连续工作,提高探测精度。而AIP潜艇受能源限制,装不了核潜艇那么复杂的声呐系统。从武器装载数量看,目前3000吨几乎是AIP潜艇排水量的上限,武器装载数仅为20枚左右,而攻击型核潜艇均可达到7000吨以上甚至万吨,武器装载数可达到30-50枚。因此虽然AIP潜艇在造价、运行、风险等方面有很多优点,但是综合作战性能指标在短期内无法取代核潜艇。
有观点认为日本面积不大却搞了50多座堆,而且很多堆是第一、二代的,为的是更便于提炼铀燃料以用于核弹头,这是否可能?日本今后的能源结构是否会被改变?
王:反应堆的第一、二代和所谓第三代的区别主要在于自动化程度和控制设备的完善度等方面,与铀燃料提取没关系。若想制造武器级铀,在提炼阶段制造最方便,辐射安全性也较好。而将已经用于电站的10%以下浓缩度的反应堆铀棒回炉提炼成武器级铀,效率太低,而且已经激活的铀棒辐射巨大。
日本在风力发电、潮汐发电、太阳能发电等方面短期内难以形成规模,因此日本发展核电站主要是为了解决经济发展所需电能问题。一个国家能拥有多少核弹与它的核能力有密切关系,但核能力是个综合指数,不是仅仅由核电站数量的多少来决定的。
贺:日本用于发电的水利资源和地热资源相对丰富。日本的河流短促,水量充沛。虽然它的河流落差大不利于航行,但适合发电。据估算,日本的内河水力发电蕴藏量高达3680万千瓦。日本有水温在90摄氏度以上的高温热泉90多处。20世纪60年代初,日本曾经在大岳和松川两地分别建造了1万~2万千瓦的地热电站。日本燃煤少,火力发电没有发展前景。风力发电、潮汐发电、太阳能发电这些领域目前尚未达到日本发电的主流,技术上还待成熟。今后若干年,日本在发电方面只能是靠水力、地热和核能,而且核电更成熟,投资力度较小,比水力和地热发展空间更大,只能是日本今后投入努力最大的领域。目前日本核电占总发电量的30%,计划到2030年提高到41%左右。
目前世界上有30个国家的地区有核电站,5个国家有核潜艇,伊朗、印度等正在搞核技术,大多数国家还没有研制能力,核技术普及还来不及,不可能对它产生厌烦和排斥的心理。等世界上大多数国家都进行了核能利用并尝到其代价后,才可能谈得,上“后核时代”的到来。
东边的太平洋,地震引发海啸,还引发了更大灾难,核泄漏。英俊的枝野幸男频频出来安慰大家,可是状况却随着他的话越来越严重。爆炸时说反应堆没事,结果现在几个堆芯熔毁;安全壳没问题,随后却飘出碘、铯,现在钚都出来了。“政府无任何隐瞒”,东京电力的过失“绝对不可原谅”。也许现在的状况仍旧是一个公司的事,还用不着一个国家一个政府来负责。
西边的北非,则在一连串游行示威后引发了一场军事冲突。利比亚反对派突然跳出,抢夺武器、策反官员,气势如虹。就在大家猜测卡扎菲是不是已经出逃时,政府军却反手挺进到班加西,“一切都会在未来48小时内结束”。有人坐不住了,特别是已经急着承认反对派的萨科奇。连哄带骗得到禁飞区授权后,西方不顾空中只有反对派战斗机的事实,干起了对地攻击的活。炸坦克、轰车队,反对派死里逃生,狐假虎威之下重新打到卡扎菲的老家。然后他们又受阻了,下一步谁能赢呢?
非常万幸的是,一东一西两地相隔遥远,“核”、“战”二字也没有靠成一个词,让我们最害怕的词。
这边,时不时地弹一下大家的神经,那边,你来我往地戏剧性交锋。大家的神经也随着新闻报道的持续而逐渐粗大,恐怕很多人已经不在为它们俩揪心。不过在这些新闻的背后,我们还是有很多道道不清楚,许多知识不明白。
利比亚之战,媒体、专家们给出了四种结局。不管什么结果,不管北约空军怎么炸,最后关键的还是地面如何解决。卡扎菲不会告诉你他在如何排兵,反对派可能说不清该怎么布阵。我们只能通过以前的资料,还有新闻媒体里出现的各种照片,来看看他们双方都有些什么家伙什。
日本反应堆引发的疑问更是一大堆。核电站厂房里究竟有什么,为什么会泄漏出钚?我们现在不必担心核辐射的危害,可兵器上常说的三防三防,第一就是核,那么军队碰上核辐射后该怎么办?美国航母不就是因为检测到核辐射,一撤百里吗?说到军队,日本军机迎接风浪的壮举着实让人有点困惑,是无能为力,还是反应迟钝?军舰倒是没什么损失,是不是海啸对海军舰艇和基地来说并不算大危险?还有反应堆究竟分几种,哪种更安全,哪种能造核弹?德国州选举因为核电建设问题而引发变数,那是否意味着核电站不该建了?
对于这个题目,大家多半知道结论是否定的核弹头、战略核潜艇继续存在下去几乎不需要理由,对于似乎可以讨论其存在价值的民用核能,实际上也没太多的讨论余地,这不仅因为核能带来的巨大好处,更因为所有核国家围绕核领域都已形成巨大的产业群在这些利益集团面前说出“后核时代”这几个字几乎是“挑衅”,因此本次讨论不奢望核能利用的步伐会被改变,而只是再次分析其风险与代价
先谈谈核电站与核潜艇常用几种堆型的对比
贺:从1954年美国建成“鹦鹉螺”号和苏联建成核电站至今,全世界已建成500余艘核潜艇和近500座核电站,95%以上都是压水堆。压水堆的优点是其它反应堆无法比拟的。用水做慢化剂效果很好且相对廉价。压水堆工作稳定,安全性、可靠性好。水的热物理性质普遍被各国掌握,水对反应堆系统中各种设备如水泵、热交换器和阀门等没有特殊要求。压水堆一回路压力是近200个大气压,系统中的一些设备是高压设备,坚固耐用。核电站采用压水堆,这些设备仅靠自身指标就能抵抗地震的冲击。
日本核电站有相当一部分采用沸水堆,沸水堆是否不适于在潜艇上用?
贺:沸水堆不像压水堆那样采用一回路和二回路,而是仅仅采用一个回路,省去了蒸汽发生器。沸水堆的回路压力有六七十个大气压,管路、阀门等系统设备不用像压水堆中的那么强,成本就可以低一些,这本是它的优势。但采用沸水堆的核电站为了防地震冲击,这些设备必须加强,因此沸水堆的这个优势就不存在了。
沸水堆内产生的水蒸汽直接送入汽轮机发电。高放射性的水蒸汽在推动汽轮机转动之后,冷却凝结成水,再被送回反应堆内部。在反应堆压力容器到汽轮机这个大范围内做到严格密封极为困难,在潜艇上更是难上加难。汽轮机、管道和各种设备都受到放射性沾污,都要屏蔽。从工程角度讲,密封和屏蔽最困难的是轴封的处理。轴是处于转动状态的,密封和屏蔽过于紧密,不利于轴的灵活转动,过于宽松则会发生放射性泄漏。这些问题很难根本解决,所以目前核电站很少用沸水堆,而至今为止各国建造的500余艘核潜艇上从未装过沸水堆。
液态金属堆在潜艇上用过,核电站上似未见用过
贺:目前只有美苏的核潜艇用过液态金属堆。实际应用的只有两种,美国于1957年建成的SSN-575“海狼”号核潜艇装的是S2G型钠冷堆,苏联于1963年建成的645型K-27号核潜艇、1977-1981年建成的6艘“阿尔法”级装的是VT-1型和BM-40A型铅一铋合金堆。液态金属堆功率密度较高,外形相对较小,适于装在潜艇上。但体积相对较大的压水堆对于核电站不成为问题。另外,液态金属堆的事故发生率和严重性也比压水堆高。为避免严重事故,液态金属堆必须要用许多专用设备,使系统造价和运行管理成本高于压水堆,因此核电站更适合用压水堆。
王:比起压水堆,液态金属堆传热性能高,中子吸收截面较低,反应堆体积较小。另外,液态金属的沸点远高于水,比如铅一铋合金沸点高达1670℃,因此一回路中流动的液态铅一铋合金无需加压就可使反应堆出口温度达到400~500℃之高。一回路保持低压状态可以简化反应堆的结构,提高可靠性。
不过,它的优点也正是它的缺点。液态金属堆沸点高,熔点也高。采用液态金属堆的核潜艇在码头停靠时不能停堆,至少给它提供高温蒸汽维持管路高温,使液态金属处于流动状态,否则一旦凝固就不可修复。即使重启反应堆,但热量无法被凝固的管路导出来,液态金属就无法熔化重新流动,而且堆芯温度过高将是灾难性的。
液态金属堆的密封性也极其重要,因为液态钠有很强的腐蚀性。美国SSN-575“海狼”号在运行期间曾发生过一回路泄漏事故,原因是液态钠将一回路管路腐蚀,少量液态钠泄漏出来。当时在发现泄漏之后,技术人员花了3个多月时间查找故障。液态钠十分活泼,一旦泄漏出来与水接触,将产生爆炸事故,整艘艇都可能致命。
1968年苏联K-27号核潜艇在巴伦支海进行水下航行时,液态金属堆的蒸汽发生器泄漏,导致反应堆管路网被堵塞,堆芯温度迅速上升,有20%的燃料棒熔融并破裂。高浓度的放射性气体向各舱室弥漫,艇员冒死抢修,9名艇员死亡。
您曾接触过东京电力公司的核技术人员,您感觉他们的水平如何?
贺:日本从1963年开始到如今,核电历史已近50年, 培养了几代核电技术人员。他们与我个人接触期间,给我的深刻印象是技术水平很高、经验丰富,而且有强烈的敬业精神。像我们国家核领域有认证资质的从业人员中,在核电站的实践经验上比日本工程技术人员差很远。
核潜艇退役后的处理是否比核电站事故处理更麻烦?
王:与核电站事故处理相比,核潜艇退役处理涉及方面更广。首先,虽然各国核电技术领域仍保留一些技术秘密,但是核电站比核潜艇还是有更大的开放性。国际上可以共同交流核电站退役的经验教训。如果核电站发生较大事故,其它国家可以参与共同处置。但是核潜艇在政治方面十分敏感,包含大量技术秘密,因此核潜艇国家往往是独自对退役核潜艇进行处置。另一方面,目前即便是美国,也在处置退役核潜艇方面投资不足,俄、英、法更是捉襟见肘。资金窘迫使得核潜艇退役处置的各种方案深入研究受到影响。据世界绿色和平组织近年来调查,虽然核潜艇国家每年投入数十亿美元,但至今没发现一个国家提出有效的处置退役核潜艇方案。
目前各国处置退役核潜艇的基本方案有四种。
第一种是地下深埋。即把核燃料取出之后,另存其它场所。然后把核潜艇拆卸成若干部分,包装后运往深埋场地。美国在其国内的沙漠地区利用深埋方式已经处置了2艘退役核潜艇。英国政府认为陆地深埋是一种长期有效的方案。目前英国正在考虑一种过渡性办法,就是把退役核潜艇的反应堆舱整体切割下来在陆地上存放,但在国内寻找合适的存放场地却让英国政府头痛,至今没有头绪。陆地深埋的最大困难是,从事拆卸的人员可能会受到辐射,在拆卸过程中必须保证完善的屏蔽设施。另一困难是,被拆卸的核潜艇部件必须存放在专用储存箱内,然后才能运往掩埋场地。制造专用的储存箱及在运输途中的安全防护措施需要高额费用。此外,对深埋地点选址必须考虑多方面因素,在对核潜艇进行掩埋之前还需要进行技术处理。这些都增加了陆地深埋方案的复杂性。因此,目前只有美国在这方面进行了少量退役核潜艇的处置。
第二种方案是整艘核潜艇地下浅埋。所谓浅埋也得覆盖30米深。由于核潜艇直径至少10米,因此需要在陆地上挖一条深度40米以上的沟,然后把取出核燃料的核潜艇不经拆卸分解,整体放置在沟壑里掩埋起来。没取出核燃料时,核潜艇是绝对不能掩埋的。尽管核潜艇本身的反应堆舱段有屏蔽作用,但掩埋后就无法人为测量检查。一旦有泄漏,辐射可能污染地下水系,并循环上来造成地面污染,因此掩埋的必须是除去堆舱的核潜艇。
这种方案比起前一种方案来要省工省时,而且不必采取那么严密的放射线防护措施。不过这种方案的困难是如何把整艘核潜艇长途跋涉运到掩埋地。核潜艇的直径都近10米,像“俄亥俄”级超过12米,列车无法装载。而且核潜艇反应堆舱段非常沉重,这是和运载火箭铁路运输的区别。用巨型工程拖车也不可行,很多桥梁、道路不可能承受几千上万吨的重量。还有,列车运送途中必然经过很多城市,辐射风险很大。因此,这种方案只能在距海边较近的地区选择掩埋场,但沿海地区人口都很稠密,在这里浅埋也有很大风险。20世纪80年代末,美国政府曾经在华盛顿州划定了面积为570平方千米的一个场地作为退役核潜艇浅埋场地,并有4艘退役艇被运到该地浅埋。
第三种是整艇沉海方案。当然,核潜艇在海上出事沉没不在此列。这种方案是把核燃料取出后,将整艘艇包括反应堆一起沉入深度超过3000米的深海中去。或者把核燃料连同反应堆舱段取出后把整艘艇的艇体沉入深海。这种沉艇不是直接灌水让潜艇沉下去,因为海水腐蚀艇体,核燃料就可能泄漏。因此要用水泥至少将潜艇反应堆舱段内灌满,潜艇外部也尽量封住,这样沉下去就能保持核燃料的密封性。许多专家认为,这种方案危险性最小,实施相对简便,费用也较少,沉在3000米深海底对环境和人类影响也小。但是,世界环境保护组织强烈反对,认为潜艇一旦破损,在3000多米深度上无法补救,泄漏会污染海洋并进入人类的食物链,造成永久性严重威胁。国际海洋组织于1983年缔结的公约严禁向海洋倾倒放射性核废料,因此该方案难以实施。
第四种是最简单的一种,即把退役核潜艇原封不动地停泊在某些人烟稀少的港口或码头边。由于核潜艇本身有足够的屏蔽结构,另外可以定期检测,浮置状态的核潜艇不会产生污染。英国第一艘核潜艇“无畏”号于1982年退役后便一直浮置保存在罗赛斯海军造船厂的船坞中。有关部门对该艇进行持续监测,辐射剂量非常低。英国一些专家估计“无畏”号可在船坞中浮置近百年而不发生泄漏。然而这一切都是在理想状态下得出的结论,谁能保证所有退役的核潜艇在浮置存储期间不会遭受意外呢?
这四种方案各有利弊,难判孰优孰劣。四种方案都涉及到对核燃料的处理,在这方面美、俄、英、法做法不同。
1982年,英国的“无畏”号核潜艇退役之后,相继有13艘核潜艇退役,都浮置存放在英格兰西南的德文波特和苏格兰的罗赛斯,等着英国最终的处置方案。英国国防部的政策是将这些艇浮置存放而不是拆解。不过,浮置存放期间需尽快把核燃料组件取出,存放在钢制容器内。然后再把这些钢制容器用铁路运到英格兰西南的赛拉菲尔德,这里有英国核退役机构专设的核燃料长期存放设施。运抵后,铀棒燃料组件在水下状态从钢制容器中取出,不对其进行任何处理,将其保持在水下状态。铀棒燃料组件的长期存放设施是一些大型水池,储水深度为4~5米。在水池中长期存放的铀棒燃料组件,其温度保持恒定,而且水池周围设置了生物屏蔽设施。赛拉菲尔德的存放水池可存放约3000个铀棒燃料组件。
英国政府认为这是一种切实可行的短期处置办法,但可能与英国预定的核潜艇退役时间表矛盾。按英国现役核潜艇退役计划,到2020年,退役核潜艇数量可能超过英国能提供的浮置存放能力。
英国另外一种处置退役潜艇核燃料的方案是把核废料深埋在200-1000米的地下,岩石结构对埋在那里的核废料的放射性形成屏蔽作用。不过这些方案都有不足,因此对英国而言,浮置存放在今后仍是较稳妥的方案。
法国目前的基本处置程序是,核燃料从艇上取出后,被送到瑟堡附近的阿格角地区的存放水池中。目前法国也未制定出长期保管办法,水池存放也是过渡方案。核燃料被取出后,堆舱及其它设备被拆除,潜艇被送到船坞解体。法国舰艇建造局的专家认为,切割下来的堆舱的放射性经10~15年便可衰减到容许程度,其后就可进步处置了。1998年法国处置退役的“可怖”号时,从艇中取出核燃 料及切割反应堆舱花费2500万美元。如今对一艘艇采取同样处置,费用要远高于这个数。法国也缺乏这方面经费。
俄罗斯在20世纪90年代中期时就有160余艘核潜艇退役。这些艇很多还没到寿命,只是因为军方没钱而被退役。这160多艘艇,核燃料没取出就浮置在码头边上,而且一直存放十多年。处于远东地区的俄太平洋舰队的退役核潜艇,存放状态非常恶劣。这些地区经常受地震、台风和海啸侵扰,有可能使浮置的潜艇脱离系泊,漂到公海造成大范围污染。为此,联合国国际原子能机构决定帮助其处理。美国怕俄罗斯日后有钱了再将这些退役核潜艇重新发动起来,也曾逼迫日本掏钱帮着俄罗斯拆解这些艇。仅在2002-2006年,俄罗斯就投入2.5亿美元,国外合作伙伴投入313亿美元。到目前,由外国资助处置的苏联退役核潜艇共51艘。国际上还向俄提供了许多设备。美国向俄提供了在退役核潜艇上回收电缆的设备以及从艇上取出核燃料的设备。
俄罗斯核潜艇退役后,取出的核燃料先送到摩尔曼斯克的核废料场,积累到一定数量时用铁路运往3000千米以外的车里雅宾斯克核废料处理厂。再处理过程中,首先把金属核废料浸泡在酸液中使其溶解,这样核废料便转为液态,然后从中把铀和钚萃取出来,剩余的高放射性液态核废料被装进专用玻璃容器,存储在地下的巨大水池中。
但是,俄罗斯这方面有许多问题。比如装废料的专用运输船及集装箱严重不足,影响运量。资金窘迫也使运输条件及车里雅宾斯克核废料处理厂的设备难以改善。实际上目前俄罗斯已停止从退役艇上拆除核燃料,将废料运到处理厂的工作也停了。
美国在处置退役核潜艇方面最有经验。冷战后,美国有124艘核潜艇与核水面舰艇退役,其中115艘的反应堆舱被切割移除,118艘得到了回收再利用。
当前,美国共5家造船厂从事退役核潜艇处置工作。这些船厂既能取出核燃料,也有能力拆解核潜艇,其中两家还能进行回收再利用。艇体被切割解体之后,制成艇体的高强度钢材可以再利用。
美国对一艘核潜艇的燃料棒提取工作要耗时大半年为什么如此麻烦?
王:铀燃料棒在刚制造出来尚未激活时没有放射性。我曾多次摸过铀燃料棒,银白色的,比铁要沉一些。一旦铀棒在核电站或核潜艇上被激活启用后,它就带有放射性了。取出核燃料的做法,美国基本与法国相同。先在反应堆舱上方艇体外安装一个安全罩,里面有过滤通风系统,可供人员在里面安全抽取核燃料棒。抽出后立即放在屏蔽容器内,用起重机吊起送入船坞旁边的安全容器内,再把安全容器放进专门设计的集装箱内。然后,船厂开始切割堆舱。这时需要同步排空堆舱内的所有管路,将反应堆舱完全密封起来。切割时,必须连同堆舱前后两端的隔壁作为一个整体切割下来。反应堆舱两端的隔壁可起到附加的密封作用。美国“鹦鹉螺”号在拆除反应堆舱后在此位置又安装了同比例模型供游人参观。也就是说艇上其它舱段没有放射性,很安全。
反应堆舱切割分离后,被装在驳船上送到汉福德核废料处理场。从1986年到1998年,汉福德核废料场已掩埋了71个退役堆舱。
到1992年4月为止,美国能源部已处理了10万吨重金属,将裂变材料回收利用。由于冷战后军用核材料用量大减,因此美国目前暂停对废弃裂变材料的回收利用,而是把废弃核燃料存放于水池中。初步计划是存放10~40年后,必要时再进行处理。目前在美国处置退役核潜艇,大约每艘艇需要2000万美元。
核燃料用尽后,核潜艇艇体部分是否还有寿命?切割下反应堆舱段后,改装成大型常规潜艇是否可行?
贺:核潜艇退役基本上分正常退役和非正常退役两种。核潜艇服役时间基本是30-40年,也有一些艇服役时间仅为20余年甚至10余年。退役主要是由于几方面。第一,艇体材料老化、腐蚀,潜艇的下潜深度受到较大限制,无法达到最初的设计指标。第二,艇上各种系统设备老化,艇内的结构形式和布局无法支持系统设备更新换代或性能升级。第三,艇体状态与换装的核燃料使用寿命不同步,在这种情况下,有时是宁可让核潜艇退役也不再换装核燃料。第四,国际形势变化,有的核潜艇难以适应新的形势,只好退役。这四种情况,前两种是正常退役,后两种属非正常退役。
如果一艘核潜艇到达正常退役阶段时,这时艇上的各种系统、设备和耐压艇体材料基本上也达到了使用极限状态。此时从效费比看,把它改为其它用途的潜艇已不适宜。如果一艘核潜艇是非正常退役,虽然艇上各种系统、设备和耐压艇体材料仍然良好,但是核潜艇的动力系统及辅助系统的规格参数都远高于AIP潜艇或柴电潜艇,艇上一些重要设备也都是根据核潜艇的动力指标设计的,与常规潜艇区别很大,因此把原有堆舱位置换装柴电系统很难匹配,会影响整艇性能。更换核潜艇的主要系统设备所需费用也相当可观,与其将退役核潜艇废物利用,不如新造艘常规潜艇。
如果说战略核潜艇地位和性能要求特殊,无法被其它平台取代,那么攻击型核潜艇今后是否会被AIP潜艇取代?因为后者的运用便利性及安全性远远胜过核潜艇
贺:核潜艇在今后很长时间内都仍会对AIP潜艇拥有绝对优势。从潜艇几种主要性能指标看,AIP潜艇能与核潜艇匹敌的,仅仅在于综合隐身性:能的个别方面。潜艇的综合隐身包括声和非声隐身两方面,目前AIP潜艇如燃料电池潜艇的声隐身性能稍稍优于某些核潜艇,但是美国“海狼”和“弗吉尼亚”级的声隐身性能已经与AIP潜艇没什么区别了。这说明核潜艇继续发展下去,目前AIP潜艇的声隐身优势也将丧失。而且从水下连续航速、水下探测能力、武器装载数量等性能看,AIP潜艇与核潜艇差距很大。当前世界上最优秀的AIP潜艇的水下最高航速也才20节左右,以这个速度只能航行1-2个小时,以4-6节只能航行最多3星期。而攻击型核潜艇能以30节无限制航行。由于核潜艇能源充足,可以保证大功率综合声呐连续工作,提高探测精度。而AIP潜艇受能源限制,装不了核潜艇那么复杂的声呐系统。从武器装载数量看,目前3000吨几乎是AIP潜艇排水量的上限,武器装载数仅为20枚左右,而攻击型核潜艇均可达到7000吨以上甚至万吨,武器装载数可达到30-50枚。因此虽然AIP潜艇在造价、运行、风险等方面有很多优点,但是综合作战性能指标在短期内无法取代核潜艇。
有观点认为日本面积不大却搞了50多座堆,而且很多堆是第一、二代的,为的是更便于提炼铀燃料以用于核弹头,这是否可能?日本今后的能源结构是否会被改变?
王:反应堆的第一、二代和所谓第三代的区别主要在于自动化程度和控制设备的完善度等方面,与铀燃料提取没关系。若想制造武器级铀,在提炼阶段制造最方便,辐射安全性也较好。而将已经用于电站的10%以下浓缩度的反应堆铀棒回炉提炼成武器级铀,效率太低,而且已经激活的铀棒辐射巨大。
日本在风力发电、潮汐发电、太阳能发电等方面短期内难以形成规模,因此日本发展核电站主要是为了解决经济发展所需电能问题。一个国家能拥有多少核弹与它的核能力有密切关系,但核能力是个综合指数,不是仅仅由核电站数量的多少来决定的。
贺:日本用于发电的水利资源和地热资源相对丰富。日本的河流短促,水量充沛。虽然它的河流落差大不利于航行,但适合发电。据估算,日本的内河水力发电蕴藏量高达3680万千瓦。日本有水温在90摄氏度以上的高温热泉90多处。20世纪60年代初,日本曾经在大岳和松川两地分别建造了1万~2万千瓦的地热电站。日本燃煤少,火力发电没有发展前景。风力发电、潮汐发电、太阳能发电这些领域目前尚未达到日本发电的主流,技术上还待成熟。今后若干年,日本在发电方面只能是靠水力、地热和核能,而且核电更成熟,投资力度较小,比水力和地热发展空间更大,只能是日本今后投入努力最大的领域。目前日本核电占总发电量的30%,计划到2030年提高到41%左右。
目前世界上有30个国家的地区有核电站,5个国家有核潜艇,伊朗、印度等正在搞核技术,大多数国家还没有研制能力,核技术普及还来不及,不可能对它产生厌烦和排斥的心理。等世界上大多数国家都进行了核能利用并尝到其代价后,才可能谈得,上“后核时代”的到来。