從事故到廢料處理：揭露核電站的全貌與挑戰

什麼是核能？

核能來自於原子的核心。原子構成了所有物質：你正在使用的設備、它所放置的表面，以及你呼吸的空氣。每個原子內部都有一個被稱為強核力緊密束縛的核心，裡面含有質子和中子。但當一個中子撞擊特定原子（例如鈾）的核心時，這個原子中心可以在一個稱為核分裂的過程中破裂成碎片，釋放出巨大的能量，以熱能和輻射能的形式散發出來。

核電力

核電力來自於核分裂過程中釋放的能量。大多數核電廠使用富集鈾作為其發電的燃料。這種燃料含有更多的一種特定種類（或同位素）的鈾，被稱為U-235，其原子更容易在核反應爐中被分裂。

在分裂過程中，核燃料被放置在核反應爐核心中，燃料的原子被分裂成碎片，釋放能量。由一次原子分裂釋放出的中子繼續引發其他核的分裂，觸發一連鎖反應，產生熱能、輻射以及放射性廢料。如果不加控制，這一連鎖反應可能產生如此大量的熱能，以至於核反應爐核心實際上可能會融化，釋放危險的輻射。這就是為什麼電廠使用“控制棒”，它們吸收一些釋放的中子，防止它們引起更多的分裂。

來自鈾原子分裂釋放的能量加熱水，產生蒸汽。這就是我們獲取電力的方式。蒸汽接著推動渦輪機，然後驅動發電機。這與煤炭或天然氣發電廠使用的基本原理相同。

核電力的用途是什麼？

我們主要使用核電力來生成電力。美國是世界上最大的核能生產國，占全球核電發電量的30%以上。該國五分之一的電力來自核電。雖然在核反應爐中產生的能量也可以用於其他工業和化學過程，但除了一些孤立案例外，這些其他用途尚未被採納，原因是對安全性、安全和成本的擔憂。

美國的核電廠

根據美國能源信息管理局的資料，截至2022年1月1日，美國有55座商業運營的核電廠，在28個州運行93個核反應爐。（大多數電廠有不止一個反應爐。）在未來幾年內，預計將關閉一些反應爐，包括2025年加州的最後一個核反應爐。一些反應爐因安全擔憂和經濟競爭的結合原因，在運營許可到期之前被關閉。

然而，同時，一些核電廠被允許運行的時間比原先預期的要長。美國核監管委員會（NRC）為電廠發放40年的許可證，然後電廠的所有者可以申請續期20年的許可。（規定並不限制許可證可以續期的次數。）

NRC已經為超過75%的美國核反應爐批准了許可證續期，這些反應爐的平均年齡目前為40歲。這意味著允許電廠運行長達60年。一些甚至開始獲得共計80年的續期許可，包括被允許至少運行到2053年的佛羅里達州的土耳其點核電廠。（NRDC正在對這一決定提出訴訟挑戰。）而且，讓一個核反應爐運行80年本身就是前所未有的，NRC已經在討論第三輪許可證續期，以允許反應爐運行100年。

“這些老化的核反應爐在經濟上無法與其他低碳能源來源，如太陽能和風能，或者在能源效率方面的投資競爭。”NRDC核團隊的工作律師Caroline Reiser解釋說，“所以，儘管行業倡導者主張核能對於經濟脫碳至關重要，它根本不是解決氣候危機的方案，尤其是在我們需要採取行動的時間範圍內。”

為什麼核能是個問題？

核反應爐的安全問題

儘管美國的核電廠監管機構監測運行安全，自然災害（如颶風、洪水和地震）、人為錯誤、機械故障和設計缺陷仍然可能引發放射性污染的釋放。

“領先的科學堅持使用線性無閾值（LNT）模型進行輻射防護，該模型假設即使是非常小的輻射劑量也仍然會增加癌症風險，”NRDC氣候與潔淨能源計劃的工作科學家Bemnet Alemayehu說。在核電廠，一種稱為離子輻射的特定類型的輻射被自然釋放出來，也是核分裂過程的一部分。Alemayehu表示，“這種輻射可以對工人和更廣泛的公共健康產生負面影響。”

在嚴重事故如核心熔毀（美國核監管機構稱之為“超出設計基準”的事故）之後，反應爐可能會向環境釋放輻射，影響其周圍的所有生命和土地。事故發生後，廠工人和緊急小組最有可能面臨高劑量輻射暴露，這可能導致急性輻射綜合症（ARS），也稱為輻射病或輻射中毒。ARS的症狀包括皮膚灼傷、嘔吐、腹瀉，甚至可能昏迷。大多數ARS病例的死亡原因是骨髓損傷，導致感染和內出血。高劑量的離子輻射還會損害DNA，導致癌症和基因突變，這些突變可能會傳給未來的世代。低劑量的離子輻射暴露也可能增加患上如白血病和甲狀腺癌等癌症的風險。

核反應爐事故

自1950年代核能運營以來，已發生三起主要的商業核反應爐事故。1986年在烏克蘭的切爾諾貝爾（當時屬於蘇聯）發生的事故被認為是歷史上最嚴重的核災難。一次失控的功率激增導致爆炸和火災，摧毀了該廠的4號機組，釋放出放射性物質——之後，政府的保密和錯誤資訊讓受害者面臨更大的風險。輻射污染一直蔓延到瑞典。蘇聯政府選擇通過創建一個“排除區”，而不是嘗試通過收集放射性污染物質並將其轉移到永久處置站來清理當地污染，排除區的半徑約為該廠周圍19英里，進入該區域仍受限制。大約350,000人被永久重新安置，遠離該站點。事故直接導致31人死亡，並導致數千例額外的癌症死亡。

第二大核事故發生在2011年，當時地震襲擊了日本東北部海岸。一個海嘯，波高達30英尺，使得福島第一核電站的三個反應爐和四個用過核燃料儲存池的電源和冷卻能力失效，導致核事故，釋放出放射性物質到周圍的空氣和水中。放射性物 質最終在日本所有的都道府縣中被發現，雖然沒有立即死亡或輻射病例，但由於輻射風險，超過100,000人被疏散出他們的家園。事故十年後，該區域的幾個鎮仍然禁止進入，即使在政府認為安全的區域，許多居民也選擇不返回。福島事故間接對日本各行各業造成了巨大損失，包括能源、旅遊、農業和漁業。福島事故的直接經濟成本驚人，清理和恢復的費用可能遠超過2000億美元，預計這一過程將需要數十年並伴隨著自身的複雜性。最近，日本在處理放射性污染廢水方面遇到困難，目前這些廢水在現場儲存中不斷積累。日本提議處理廢水並將其排放到太平洋，這一行動遭到了許多鄰國、漁業組織和環保團體的反對。不幸的是，這裡沒有好的選擇：如果無限期地儲存水將會使區域不堪重負，但在沒有適當監測的情況下向環境中釋放放射性物質的任何決定都是不負責任的。

最後，1979年賓夕法尼亞州的三哩島發電站（TMI）的一個反應爐部分熔毀，向環境釋放放射性物質。居住在附近的數十萬人自願疏散。雖然沒有立即死亡，但一些流行病學研究發現輻射影響癌症風險的證據不確定。清理事故花了超過十年的時間，費用約為10億美元（以1993年的美元計）。

Reiser表示，“大致而言，福島事故比三哩島事故嚴重10倍，而切爾諾貝爾事故又比福島事故嚴重10倍。這些事故導致了對改善安全和監管流程的呼籲，儘管在美國，每次事故後改革的程度很小。”切爾諾貝爾事故證明了有效監管、安全文化和場外應急計劃的重要性，以及及時準確的政府資訊對於風險輻射釋放的社區至關重要。然而，美國監管機構基本上將從切爾諾貝爾學到的課程視為不適用，因為蘇聯和美國之間的文化和設計差異。福島第一核電站事故展示了自然災害對核電站的影響，NRC拒絕採納其自己專案小組的幾項重要且有保護性的建議。相反，它大多選擇讓核工業自願進行更新。三哩島部分熔毀揭示了人為因素的重要性後，美國監管機構確實要求加強培訓、更改緊急響應程序和準備疏散計劃。然而，NRC拒絕對事故進行更廣泛的風險審查。

輻射暴露與保護

當前的輻射保護標準是基於任何輻射暴露都存在一定風險的前提，且該風險隨著暴露劑量的增加而直接增加。這種風險估計方法稱為“線性無閾值”劑量-反應模型（LNT）。Alemayehu解釋說：“這一長期以來支持的模型表明，由於低劑量暴露引起的癌症風險與劑量成比例，沒有閾值。”換句話說，大劑量的輻射暴露會導致高風險的癌症，而非常小的劑量暴露會創造非常小的癌症機率。美國國家科學院和國家輻射保護和測量委員會等團體的強大科學一 致性支持使用LNT模型來制定實際指導方針，以保護工人和公眾免受輻射可能的有害影響——在重要且商業上合理使用輻射的情況下保持平衡。為了限制工人因外部輻射源而受到的有害影響，LNT是我們需要保持到位的一項保護標準。

核電成本

現有核電廠相比許多化石燃料發電廠而言，運行、維護和燃料成本相對較低；然而，這些日常成本仍使得核電在經濟上無法與風能、太陽能和天然氣競爭。世界核工業狀況報告估計，2021年生成核能的成本介於每兆瓦時112至189美元之間，而太陽能成本介於36至44美元之間，陸上風力發電的成本則為29至56美元。這就是為什麼一些核電廠在其許可證到期前關閉的原因。

在一些州，現有的核反應爐因擔心工作崗位流失、維持當地稅基和氣候影響（如果用天然氣發電廠替代核電廠）而獲得補貼。Jackson Morris，NRDC在東部州氣候和潔淨能源工作的負責人說：“如果州領導人決定提供補貼，那麼他們還必須制定政策，加速實現一個基於效率和可再生能源的潔淨能源未來。”這些政策應包括限制援助金額、制定廢料管理和電廠退役的最佳實踐、為工人提供再培訓或補償，以及支持受影響社區的經濟發展。公司還應該提供其財務記錄，以證明這些電廠確實處於財務困難中。

新建核電廠的高昂成本

新建核電廠的高昂建造成本使它們在經濟上不可行。反應爐還需要長時間的規劃、許可和建造。美國目前仍在追求的唯一新建工程是喬治亞州Vogtle電廠的兩個核反應爐。這些反應爐現在已經比預定進度落後多年，預計造價將超過其最初預算的14億美元的兩倍多。所謂的“先進”核電廠，如小型模塊化反應爐或非輕水反應爐，其成本仍然不確定。“先進核能是一個誤導，因為這些設計是幾十年前提出的設計的後裔，”NRDC氣候與潔淨能源計劃的核物理學家兼高級主任Matthew McKinzie解釋說。“這些核反應爐設計尚未得到證明，更不用說獲得許可和部署了。所有成本和開發時間線都只是預測，而從歷史上看，核發展的成本總是超出預期，耗時更長。”

退役核電廠

美國的核電廠隊伍正在老化。在過去十年中，幾個核反應爐已經永久退役。美國最古老的運行中核電廠，新澤西州的Oyster Creek發電站於2018年關閉。對於額外退役的核電廠的預測基於經濟情況而有所波動。

拆除核電廠涉及移除和安全儲存用過的核燃料，對電廠進行去污以減少殘留輻射，拆除電廠結構，將受污染物質轉移到處置設施，然後一旦NRC確定該地點安全，就釋放該地產用於其他用途。通常，一座核電廠需要數十年時間來拆除，而寬鬆的法規允許這一過程延長至多達60年。這一過程極其昂貴、勞動密集且耗時，並持續帶來健康和安全風險，這些都增加了核能發電的總成本。拆除成本通常估計為每個單位5億美元，但成本可能會更高。例如，康涅狄格州的Yankee核電廠最初的拆除成本估計為7.19億美元；最終由於市政垃圾填埋場的廢物污染，這一數字膨脹至12億美元。不幸的是，截至2021年，NRC正提議將對於反應爐拆除最弱的規則制定成法，為不充分的清理、缺乏對工人和社區的支持以及缺乏有意義的公眾參與鋪平道路。

核擴散

和平核電計劃的一個主要擔憂是核擴散的風險——核武器和可用於製造核武器的物質、技術和專業知識的傳播。用於發電廠的核燃料製造技術也可以用來生產核武器的爆炸物質。換句話說，如果國家有能力豐富鈾和再處理鈈，那麼它們也可以製造核彈頭。在一些國家中，和平核材料和設備已被轉移到秘密的核武器計劃中。

聯合國《防止核武器擴散條約》（NPT），於1970年3月生效，旨在防止核武器和武器技術的擴散，促進核能的和平利用，並最終實現核裁軍。NPT幾乎獲得了全球性的參與，有191個締約方，儘管有四個國家（印度、以色列、北韓和巴基斯坦）擁有核武器但不是NPT的一部分。NPT的一項要求是擁有核武庫的國家——中國、法國、俄羅斯、英國和美國——必須談判並減少他們的核武器庫存，最終消除這些大規模毀滅性武器。令人痛心的是，核武器的數量正在增加，因此它們在戰爭中再次被使用的危險也在增加。

核能與環境

鈾礦開採

鈾，作為核電廠的燃料，通常通過三種方式之一提取：地下開採、露天或開放式礦坑開採，或稱為原位浸出（ISL）的化學過程。每種技術對人類和自然環境都有廣泛的影響。

地下開採使工人暴露於高水平的氡氣中。研究發現，由於暴露於這種在土壤、岩石和水中自然分解產生的無色無味的放射性氣體，鈾礦工人患肺癌的風險顯著增加。礦工還面臨著塌方和塵肺病的風險，後者是由吸入灰塵引起的肺部疾病。

露天礦或開放式礦坑對礦工來說比地下礦安全，但這一過程涉及爆破30倍以上的土地，並 且加工後剩餘的物質是放射性的和有毒的。周圍的土地也因此遭受增加的侵蝕、山體滑坡以及土壤和水的污染。

ISL礦業目前佔美國鈾產量的大部分。與其直接從地面挖掘鈾礦，ISL將液體送入地下，直接從地下礦石中溶解鈾。然後，這種溶液被抽送到地面上，從中回收礦物。目前主要位於內布拉斯加州、德克薩斯州和懷俄明州的ISL運營，釋放大量的氡氣，並在從液體溶液中回收鈾的過程中產生廢渣和廢水。然而，ISL相關的最迫切的環境風險是地下水的污染。完成浸出作業後恢復自然地下水條件幾乎是不可能的，且從未實現過。

自1980年高峰以來，美國的鈾礦開採量急劇下降。（今天，哈薩克斯坦是最大的鈾礦開採國，其次是澳大利亞和加拿大。）但美國西南部遍佈著數以千計的廢棄鈾礦——呈現嚴重的環境正義問題。就在大峽谷國家公園東部的納瓦霍族區域，數百座廢棄鈾礦仍然對社區的健康和科羅拉多河生態系統構成威脅。許多社區仍然遭受環境污染、有毒洩漏以及未得到充分解決的癌症和疾病集群的苦難。

核廢料

核能對環境的影響中最臭名昭著的是核廢料。在核能的處理和使用的每個步驟中都會產生核廢料，從所謂的低水平廢料（LLW）到用過的核燃料和鈾礦渣（含有重金屬和鐳的放射性沙質廢料）。美國還有來自核武器生產的高水平廢料（HLW）。

LLW包括被放射性物質污染或通過在核電廠中暴露於中子輻射而變成放射性的物品，如用於運輸的容器、工人的衣物和鞋子、紙張、抹布，以及可能被用於處理或清理核廢料的任何其他物品。LLW的放射性可以從自然背景水平變化到更大的數量，例如反應爐容器內部的部分。

用過的核燃料是來自核反應爐的使用過的燃料，由於其分裂過程變慢而不再有效於發電。“它既致命又持久，”NRDC的資深律師兼NRDC核小組主任Geoffrey Fettus說。“它對人類健康和環境的危害持續數千年。”甚至美國聯邦法院也將這一時間框架描述為“似乎超出了人類的理解範圍。例如，碘-129……其半衰期為1700萬年。”

目前美國有超過90,000公噸的核廢料需要處置。預計在未來幾十年內，這一數字將上升到140,000公噸。大部分的廢料存放在其產生地，沒有永久處置的解決方案。1987年，出於政治而非技術原因，內華達州的Yucca山被選為該國核廢料的最終處置場。“但由於一系列擔憂：場點可能的洩漏、缺乏廢料運輸計劃、未能確保保護健康和監督標準——這些標準適用於所有其他形式的環境法律——以及內華達本身的反對，這一計劃被放棄並一直處於懸而未決的狀態，”Fettus解釋說。自從奧巴馬政府的美國能源部在2010年終止了許可申請以來，執行部門和國會之間就如何處理所有的核廢料沒有達成共識。

“ 有一條前進的道路。基於可靠科學的途徑能夠獲得公眾接受，”Fettus說。“核廢料的管理需要與核心環境法律協調一致，這些法律遵循聯邦主義的基本前提——即國家與聯邦政府之間的真正夥伴關係。這一變化將創建一個負責任的、基於同意的選址過程，為任何核廢料站點的主辦州和社區提供平等的管理角色。幸運的是，國會已經採取了一些初步步驟，以打破這一僵局。”

氣候變化

2020年，核能占該國低碳能源產量的一半。但核能在零碳未來和我們對抗氣候變化的鬥爭中將繼續扮演多大的角色仍然不明朗。

一個主要問題是，現有的核電廠極易受到氣候變化影響。氣候變化的後果——空氣和水溫的變化、風速和模式的變化、極端降水和海平面上升——都可以降低核反應爐的效率，要求運營商減產或關閉反應爐，增加核電成本，並增加安全和環境風險。

例如，溫度上升可能會加熱電廠冷卻水的來源，運營商依靠它來確保核心和用過燃料儲存區域內的安全。內陸反應爐使用河流作為冷卻水源，在熱浪期間尤其面臨風險——在未來幾十年內，熱浪很可能更加頻繁且持續時間更長。溫暖的水已經導致幾個核電廠減產或暫時關閉。像康涅狄格州的Millstone電廠和佛羅里達州的Turkey Point等一些電廠的運營商已獲得NRC的許可，將它們向環境中釋放的冷卻水的最高溫度限制提高。這允許核電廠繼續發電，但可能對水質和生態系統健康產生負面影響。

越來越嚴重的颶風和洪水也可能損害核電廠並切斷對冷卻水的訪問，類似於福島第一核電站事故的事件。NRC已經得出結論，認為61個評估的美國核站中有55個面臨超出其設計所能承受的洪水危險（但它未要求基於這些信息進行更新）。

隨著海平面上升和極端天氣事件的頻率和嚴重程度增加，存儲在現場的核廢料的運營和已退役核電廠的風險持續增長。雖然所有發電技術都易受氣候變化影響，但核電廠的影響可能導致具有不可逆轉和廣泛健康及環境效應的災難性事故。

可以進行一些調整，但隨著美國核電廠的平均年齡達到40年，“繼續更新這些老化的電廠而不是用更有效和更有韌性的替代品取代它們的可能性和價值越來越受到質疑，”McKinzie說。“用所謂的‘先進’反應爐替換舊的、現有的核反應爐也是有問題的。先進反應爐可能面臨與現有反應爐相同的挑戰——包括不斷增加的成本和設計及建造時間表。證據表明，先進反應爐在經濟上不可行，也無法及時開發，以創建零碳電網。”

核能的替代方案

核能具有有益的低碳特性，但顯著的安全性、全球安全、環境和經濟風險使得核能在美國的未來充滿不確定性。Reiser表示，“幸運的是，有通往低碳未來且對核支持最小的途徑。能源行業正在朝著可再生能源和能源效率的重大轉變。”風力發電場已成為熟悉的景觀一部分，太陽能板也遍佈從海岸到海岸的屋頂。

國際能源署（IEA）2019年的報告預測，由太陽能主導的全球可再生能源產能將在2019年到2024年間擴張50％。這是增加了1,200吉瓦，相當於美國全部安裝的發電能力。另一份2019年的IEA報告預計，全球離岸風能產能——有潛力產生超過全球目前電力需求18倍以上的能源——到2040年將增長至目前規模的15倍。可再生能源的成本也大幅下降。自2015年以來，太陽能發電成本下降了33％，陸上風能下降了22％，離岸風能下降了40％，電池儲能下降了49％。

能源效率是使用較少能源達到相同或更好性能的藝術，並且是對抗全球氣候變化、促進經濟增長和確保空氣安全可呼吸的最強大武器之一。Morris說，“能源效率是美國最大的能源資源。在過去的40年中，它對國家的能源需求的貢獻超過了石油、煤炭、天然氣或核能。”多虧了能源效率，美國的年度能源消耗量現在與15年前大致相同。而且，在經濟的每個領域中，仍有巨大的效率提升機會未被開發。

這些可再生能源和效率技術正在增長，但研究和發展的支持對於持續創新至關重要。McKinzie表示，“我們必須確保從核能和化石燃料過渡到更經濟、更公平的方式，以便我們能向更清潔的能源部門和更安全的氣候未來邁進。”

資料來源