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17.4：核能的后果

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    核能的使用带来了一个有趣的难题。 一方面，核电不产生碳排放，这在面临气候变化的世界中是一项主要的可持续优势。 另一方面，乏燃料储存数千或数十万年存在环境风险、核扩散的社会风险以及运行中的反应堆意外释放辐射的影响。 有思想的科学家、决策者和公民必须权衡这些优缺点。

    核能的优势

    与化石燃料相比，利用核能发电不会污染空气，也不会严重助长气候变化（图\(\PageIndex{a}\)）。 随着我们继续耗尽全球化石燃料储备，核燃料供应充足。 据估计，铀的供应将持续200多年，还有可能使用其他放射性同位素。 此外，核电厂比任何其他能源都更可靠，容量系数为93.5％（图\(\PageIndex{b}\)）。 容量是发电机在全速运行时可以产生的电量，而容量系数是衡量发电厂以最大功率运行的频率的指标。 （容量系数为 100% 的发电厂意味着它一直在发电。）

    比较煤炭、石油、天然气、生物质、水力发电、核能、太阳能和风能死亡人数和温室气体排放的条形图
    图\(\PageIndex{a}\)：与化石燃料相比，核能造成的死亡更少，释放的温室气体也很少。 这些条形图探讨了 “什么是最安全、最清洁的能源？” 的问题。 左边是事故和空气污染造成的死亡率，以每太瓦时（死亡人数/TWh）的能源生产死亡人数来衡量。1 太瓦时是欧盟（欧盟）27,000 人的年能耗。 右边是温室气体排放量，单位是发电厂生命周期内每千兆瓦时（tCO 2-eq/GWh）电力排放的二氧化碳当量吨。1 千兆瓦时是欧盟 160 人的年用电量。 煤炭每兆瓦时死亡人数为24.6人，占全球能源的25％，820 tCo 2-eq/GWh。 石油每兆瓦时死亡人数为18.4人，占全球能源的31％，720 tCo 2-eq/GWh。 煤炭占每兆瓦时2.8人死亡，占全球能源的23％，490 tCo 2-eq/GWh。 生物质每兆瓦时造成4.6人死亡，占全球能源的7％，78-230 tCo 2-eq/GWh。 水力发电造成每兆瓦时0.02人死亡，占全球能源的6％，以及34 tCO 2-eq/GWh。 核能占每兆瓦时0.07人死亡，占全球能源的4％，以及4 tCO 2-eq/GWh。 风能造成每兆瓦时0.04人死亡，占全球能源的2％，以及4 tCO 2-eq/GWh。 煤炭占每兆瓦时0.02人死亡，占全球能源的1％，以及5 tCO 2-eq/GWh。 煤炭造成的死亡人数是太阳能的1230倍，石油造成的死亡人数是核能的263倍。 煤炭排放量比核能高273倍，石油排放量比风能高180倍。 图片由汉娜·里奇和马克斯·罗瑟/我们的数据世界（CC-BY）拍摄。

     

    六种不同能源的容量系数的条形图。 从最高到最低：核能、天然气、煤炭、水力发电、风能和太阳能。
    图\(\PageIndex{b}\)：2019 年六种能源的容量系数。 核能的容量系数最高，为93.5％，其次是天然气（56.8％）、煤炭（47.5％）、水力发电（39.1％）、风能（34.8％）和太阳能（24.5％）。 图片来自核能办公室/美国能源部（公共领域）。

    核能的负面影响

    尽管有好处，但核电也有缺点。 它比任何其他能源都需要更多的水。 用于冷却的水会被释放回环境中，虽然它不含放射性物质或其他有害化学物质，但比以前更温暖。 这被称为热污染，它会损害适应较低温度的水生生物。 铀矿的露天开采会破坏栖息地并从地下释放毒素（类似于煤炭的露天开采）。 核电站的建造和维护成本很高，而且需要大量的金属和混凝土。 用于核燃料的浓缩铀如果落入坏人之手，可以用来制造核武器（图\(\PageIndex{c}\)）。 尽管核事故很少见，但它们可能造成巨大伤害，而且影响是长期的。 此外，安全处置乏核燃料的问题仍未解决。 下文将更详细地讨论后两个问题。

     

    三张饼图显示了自然界中的铀浓缩比例（< 0.72%）、燃料（< 20%）和武器（20-85%）。
    图\(\PageIndex{c}\)：饼状图显示不同浓缩水平下铀-238（蓝色）和铀-235（红色）的相对比例。 核武器需要的浓缩铀比核燃料所需的要多。 天然铀 (NU) 由超过 99.2% 的 U-238 和 0.72% 或更少的 U-235 组成。 低浓缩铀 (LEU) 由少于 20% 的 U-235 组成，反应堆级铀通常为 2-5% U-235。 高浓缩铀 (HEU) 由 20-85% 的 U-235 组成，武器等级至少为 85% U-235。 Fastfission（公共领域）的图片和标题（修改）。

    核废物

    核电面临的主要环境挑战是废物，包括高放射性废物、低放射性废物和铀厂尾矿。 这些材料具有很长的放射性半衰期，因此数千年来一直对人类健康构成威胁。

    高放射性废物（HLRW）由用过的核反应堆燃料（乏核燃料棒）组成。 它们含有核裂变产物，这些产物本身具有放射性。 这款 HLRW 暂时存放在核电站的水池或干桶中，钢瓶存放在另一个由钢或混凝土制成的容器中（图\(\PageIndex{d}\)）。 干桶含有惰性（非反应性）气体，可能位于发电厂、退役的发电厂或单独的存储场所。 只有在水池中冷却一年后，才能将高放射性废物转移到干桶中。 美国没有HLRW的长期储存，因此乏燃料仍然是临时储存。

    另一个气缸内的气缸里有长燃油棒，大约比一个人高三倍
    图\(\PageIndex{d}\)：干桶将乏燃料棒密封在罐子中，罐子周围环绕着一个较大的储物桶。 里面有成捆的二手燃料组件。 图片来源：NRC（公共领域）。

    内华达州的丝兰山被提议作为长期的地质储存地点，HLRW 可以在那里埋葬数十万年。 该存储设施已建成，但由于当地居民的反对和对运输 HLNW 安全的担忧，尚未使用（图\(\PageIndex{e}\)）

    一片荒芜的景观，有一座长山
    图\(\PageIndex{e}\)：丝兰山是拟议在美国长期储存高放射性废物的地点，但由于政治争议，该地点尚未投入使用。 图片来源：w hitehouse.gov（公共领域）。

    一些国家对乏核燃料进行再处理（回收），但美国目前没有获得回收或再处理设施或联邦废物处置库的许可。 再处理将乏燃料的可用部分分离出来，然后通过反应堆对其进行回收，将其更大比例的能量用于发电，然后将剩余的高放射性废物送入永久地质储存。

    后处理的主要动机是更多地使用燃料资源，比一次性循环多提取约25％的能量。 回收的次要动机是显著减少永久地质存储空间（减少到原本所需空间的20％或更少）和时间（从数十万年减少到数千年）。 尽管从可持续性的角度来看，这些优势看似自然且具有吸引力，但由于存在从后处理循环中盗窃用于非法武器生产或其他不可持续目的的核材料的风险，这些优势变得更加复杂。 目前，法国、英国、俄罗斯、日本和中国从事某种形式的后处理；美国、瑞典和芬兰不进行再处理。

    低放射性废物 (LLRW) 是指暴露于辐射的物品，包括衣服、过滤器和手套。 它们可以包含在混凝土或铅中（辐射无法通过；图\(\PageIndex{f}\)）。 低浓度废物通常储存在核电厂，要么直到其腐烂并可以作为普通垃圾处置，要么直到数量足够大，可以运送到美国五个 LLRW 处置场之一（图\(\PageIndex{g}\)）。

    垂直柱纸中的四个颗粒、一个人的手、一块金属板、一杯水、一块厚的混凝土块和直立的厚铅。
    图\(\PageIndex{f}\)：水、厚混凝土、铅和钢（未显示）可以阻止放射性废物释放的几种类型的辐射。 请注意，伽玛射线可以在一定程度上穿透所有这些物质，但铅、混凝土和钢提供了部分屏蔽。 显示了不同类型的辐射穿过物质的能力。 从穿透力最小到最强，它们都是 alpha < beta < neutron < gamma。 列出的顶部粒子由两个白色球体和两个绿色球体组成，它们标有正符号并标记为 “Alpha”。 一个朝右的箭头从这里指向报纸。 第二个粒子是一个标有 “Beta” 的红色球体，后面是一个朝右的箭头，它穿过纸张并停在手边。 第三个粒子是一个标有 “中子” 的白色球体，后面是一个朝右的箭头，它穿过纸、手和金属，但停在水杯上。 第四个粒子用波浪箭头显示，它穿过所有物质，但停在前端。 底部的术语从左到右为 “纸”、“金属”、“水”、“混凝土” 和 “铅”。 来自 Fl owers、Theopold 和 Langley/OpenStax（CC-BY）的图片和说明（修改）。 在 CNX 免费下载。
    低放射性废物处置设施部分
    图\(\PageIndex{g}\)：低放射性废物（LLRW 或 LLW）处置场的示意图（上）和照片（下图）。 在图中，低层废物包含在混凝土拱顶内的罐子里。 周围环绕着不透水的粘土和回填物。 排水系统防止废物污染地下水。 整个处置设施都在地下，其上方有一层表层土壤。 照片中的处置场接受来自参与区域处置协议的国家的废物。废物被密封在罐子里，浅埋起来。 图片来源：NRC（公共领域）。

    铀的浓缩会产生贫化铀六氟化铀（DUF 6）或铀厂尾矿作为副产品，其浓度不足以用作核燃料，但仍有危险。 按体积计算，尾矿在核废料中所占比例最大，美国有超过2亿吨的放射性磨机尾矿。 尾矿含有几种放射性元素，包括镭，镭会分解产生氡这种放射性气体。 它们储存在偏远地区的蓄水池中，地下排成一排排的坑中被水淹没。 去转化包括对尾矿进行化学处理以减少其危害，这样它们就可以作为 LLRW 储存。

    核灾难

    由于不受控制的核反应带来的风险，还有许多其他监管预防措施来管理核电站的许可、建造、运行和退役。 如果发生不受控制的反应，空气、水和食物污染的可能性很高。 即使在为最坏的情况做好计划时，也总会有发生意外事件的风险。 三英里岛、切尔诺贝利（见胡克章节）和福岛的核事故引发了人们对核电安全的担忧。

    三英里岛事故发生在1979年的宾夕法尼亚州。 这是由电气故障和操作错误导致的部分崩溃。 没有直接死亡。 研究调查了暴露于事故产生的辐射通过癌症或其他疾病发病率上升间接导致死亡的可能性，但没有证据证明这一点。 相比之下，1986年切尔诺贝利核电站在现在的乌克兰发生的崩溃造成了50人直接死亡。 这场灾难源于对应急系统出错的测试。 据估计，辐射暴露造成的间接死亡人数从4,000人到6万人不等。

    关于核能的全球讨论受到了2011年3月地震和随后袭击日本的海啸的强烈影响，导致福岛第一核电站的反应堆崩溃，对周边地区造成了巨大破坏。 这场灾难使核能综合体的冷却系统失效，最终导致一些反应堆核心部分崩溃并释放出大量辐射。 反应堆（沸水反应堆）的设计使得在不释放辐射的情况下使系统更难排空。 冷却放射性燃料会产生大量受污染的水，这场灾难造成了至少3000亿美元的损失。 虽然没有立即死亡，但后来有一人死于辐射暴露造成的癌症。 数千人死于与疏散相关的压力，截至2019年，在超过16万名撤离人员中，约有20％尚未返回家园。

    图示了福岛灾难中的四座反应堆核反应堆排出蒸汽的鸟瞰图
    图\(\PageIndex{g}\)：左：福岛第一核电站事故示意图（近似）。（1）单元 1：爆炸，3 月 12 日屋顶被炸毁。（2）单元 2：3 月 15 日爆炸；地下沟水受污染，抑制室可能泄漏。（3）单元 3：爆炸，大部分混凝土建筑于3月14日被摧毁，可能发生钚泄漏。（4）3月15日起火；乏燃料池水位部分恢复。（5）多条战壕：可能的受污染水源，部分位于地下，泄漏已于4月6日停止。 右：2011 年东北地震和海啸之后的福岛第一核电站。 反应堆 1 到 4 从右到左。 左图和标题（修改）由 Sodacan（CC-B Y）提供。 右图和标题由 Digital Globe（CC-BY-SA）提供。

    互动元素

    这个三分钟的片段《福岛核灾难将近十年后日本的复苏情况》介绍了福岛核灾难撤离人员的最新情况。

    归因

    由 Melissa Ha 从以下来源修改：