编者按：本文以“寻找黑天鹅”为标题刊印。
在远离日本受灾的福岛第一核电站的半个地球之外，在佐治亚州的松树林深处，数百名工人正在为他们仍然相信即将到来的美国核能复兴准备场地。推土机在新鲜、坚硬的回填土的沉陷高原上隆隆驶过，这些回填土覆盖了数英里最近埋设的管道和雨水排水管。如果计划顺利进行，明年某个时候，两座新的核反应堆将开始从地面升起——这是 25 年多来美国首次批准的反应堆。
这将是美国核能复兴扩张的开始，1979 年三里岛核电站发生部分堆芯熔毁事故后，美国的核能发展实际上陷入停滞。从那时起，气候变化的阴影使核能从环境威胁转变为潜在的无碳能源。乔治·W·布什总统和巴拉克·奥巴马总统都拥抱了这项技术，希望能引发新的建设。美国核管理委员会 (NRC) 正在审查建造另外 20 座反应堆的提案，加上几十年前建造的 104 座反应堆。
支持科学新闻事业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻事业 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
这些新反应堆中有一半以上——包括佐治亚州韦恩斯伯勒的两个沃格特勒机组——将是 AP1000，这是新一代反应堆中的第一种，它采用了旨在避免像日本那样灾难的“被动”安全功能。在发生事故时，反应堆依靠重力和冷凝等自然力来帮助防止其核燃料危险地过热——福岛核电站缺乏这些功能。
几个月前，佐治亚州的两座 AP1000 似乎很有希望在今年晚些时候赢得 NRC 最终的建造批准。但是 3 月份的福岛灾难，一场惊人的 9.0 级地震和巨大的海啸导致四个反应堆的热堆芯失去了冷却剂，再次将核灾难的前景摆在了公众面前。几周之内，民意调查显示，与事故发生前相比，支持新建反应堆的美国人比例从 49% 降至 41%，这反映了对该技术的不信任，尽管有人保证风险微乎其微，反应堆防御措施也很强大。福岛的景象为风险评估的局限性提供了一个活生生的教训。
尽管有计划，核电始终容易受到黑天鹅事件的影响——极不可能发生但会产生重大影响的事件。罕见事件——尤其是从未发生过的事件——难以预见，计划成本高昂，并且容易被统计数据所忽视。仅仅因为某件事应该每 10,000 年才发生一次，并不意味着它明天就不会发生。在电站典型的 40 年寿命中，假设也会发生变化，就像 2001 年 9 月 11 日、2005 年 8 月卡特里娜飓风袭击以及福岛事件发生后那样。
潜在的黑天鹅威胁清单令人震惊地多样化。核反应堆及其乏燃料池是恐怖分子驾驶被劫持飞机的目标。反应堆可能位于水坝下游，如果水坝决堤，可能会引发圣经般的洪水。一些反应堆位于靠近地震断层或暴露于海啸或飓风风暴潮的海岸线附近。这些威胁中的任何一个都可能产生像三里岛和福岛那样出现的最终危险情景——灾难性的冷却剂故障、放射性燃料棒的过热和熔化，以及致命的放射性物质释放。（爆炸点燃了切尔诺贝利的堆芯。）
为这些情景做准备已经够难了，更不用说还要控制在预算之内。公用事业公司试图减少建造反应堆的巨额前期费用。即使采用简化的许可和建造流程，现在建造一座核电站的每兆瓦成本也几乎是燃煤电站的两倍，几乎是天然气电站的五倍。这种差异可以通过较低的运营成本来弥补——煤炭的成本几乎是核燃料的四倍，而天然气的成本是核燃料的 10 倍——但只有当核电站能够在高负荷下运行多年时，这些节省才能实现。在 20 世纪 70 年代和 80 年代，因维护和安全问题而导致的电站停运有时会破坏运营收益。为了使核能具有竞争力，供应商试图通过简化系统并提高可靠性来削减建设成本并减少停运时间，而又不降低安全裕度。
当然，即使工程师将其包裹在巨大的安全壳墙壁中，将其埋在水密的拱顶中，并聘请一支通灵师军队来预测未来，也不可能建造出能够免受任何威胁的反应堆。在设计 AP1000 时，工程师无疑试图在物理学、成本和灾难计划的无数限制中选择最佳方案。他们所提出的必然是妥协的产物。在福岛事件之后，人们最关心的问题是：核反应堆是否足够安全？
被动防御灾难
NRC 审查中的 AP1000 和其他“Gen III+”反应堆的设计考虑了与日本不同的灾难。1979 年宾夕法尼亚州哈里斯堡附近三里岛的部分堆芯熔毁并非由自然灾害引起，而是主要由人为错误引起。几个月之内，工程师们开始集思广益，改进反应堆，简化安全功能，并增加无需人为干预即可启动的冷却备用系统。AP1000 等 Gen III+ 反应堆就是成果。
AP1000 内部的水冷却剂在闭合的管道系统中循环。当水流过反应堆堆芯时，它会吸收热量，但不会汽化，因为它保持在高压下。管道反过来又被来自二级水库的水冷却。如果泵的电力丢失，反应堆有电池备用。如果电池也失效，自然力就会接管：水从三个紧急水箱中流入，这些水箱保存在反应堆的圆顶形钢制安全壳内，安全壳耸立在堆芯上方。
停电会导致阀门打开，堆芯和水箱之间的压力和温差会将冷却的水箱水移动到反应堆容器中，以冷却燃料棒。如果需要，来自外部混凝土屏蔽建筑天花板上的巨大第四个水箱的水可以直接倾泻到圆顶外部，通过蒸发成蒸汽带走热量。在圆顶内部，从反应堆堆芯升起的蒸汽撞击冷却的天花板，冷凝并落回堆芯。据西屋电气公司前首席技术官霍华德·布鲁斯基称，第四个水箱可容纳 795,000 加仑的水，足够维持三天，并且可以通过软管重新加注。建筑物中的通风口还会吸入外部空气，从而冷却钢制安全壳。
这些备用系统的优点——以及使 AP1000 比旧反应堆有所改进的原因——在于它们不需要电力或人为操作。支持者认为，袭击福岛的“站场停电”——电网和现场备用发电机的电力损失，导致所有冷却泵停止运转——如果这些系统到位，问题就会少得多。即使备用系统仅工作几天，也足以让电站操作员有时间重新建立电力供应。
这些系统是否可以防止堆芯熔毁和向大气释放辐射是一个有争议的问题。Gen III+ 设计的支持者声称，它们比美国 104 座运行中的反应堆至少安全 10 倍。其他工程师则更加保守。阿贡国家实验室核工程部主任侯赛因·S·哈利勒的说法仅限于：“实际上，可以公平地说，Gen III+ 电站通过自然手段实现了与现有电站增加的升级相当的安全程度。”
行业评论员埃德温·莱曼是忧思科学家联盟的高级工作人员科学家，他甚至不愿意承认这一点。他质疑为西屋电气的 AP1000 和通用电气的 ESBWR（另一种新设计）所做的特定成本节约设计选择。莱曼最关心的是 AP1000 周围的钢制安全壳和混凝土屏蔽建筑的强度。在福岛，当工程师向安全壳结构中注入水以冷却裸露的燃料棒时，他们一直担心蒸汽和潜在的爆炸性氢气带来的压力。
莱曼说，AP1000 安全壳容器没有足够的安全裕度。他用来衡量反应堆安全壳容量（从而衡量其承受压力升高的能力）的一个标准是反应堆的热功率与其安全壳体积之比。对于西屋电气的 AP600（一种因发电量太小而对公用事业公司没有吸引力而被淘汰的前身），该比率约为每兆瓦 885 立方英尺——与大多数运行中的压水反应堆大致相当。但是，当西屋电气将反应堆扩大到 AP1000 的 1,100 兆瓦时，它并没有按比例扩大安全壳容量；莱曼说，该比率降至每兆瓦 605 立方英尺。他指出，安全壳容器和建筑物“非常昂贵”。
西屋电气的布鲁斯基辩称，AP1000 仍完全在 NRC 法规要求的范围内。他补充说——几位独立的核工程师也表示同意——被动系统提供的额外冷却最有可能降低安全壳在严重事故期间将面临的压力。不过，莱曼担心压力会累积到超出许多核工程师预期的程度。
莱曼对阿海珐 EPR 的设计更为放心，这是一种与德国和法国公用事业公司以及欧洲监管机构协商开发的模型，目前正在接受 NRC 审查。阿海珐反应堆与被动备用系统不同，它有四个主要的柴油发电机和两个辅助发电机，所有发电机都安置在位于电站两侧的独立防水建筑物中。阿海珐反应堆和业务集团技术副总裁马蒂·帕雷斯说，这使得它们不太可能同时全部失效。即使发电机确实失效，EPR 也具有更厚实的双层安全壳建筑和一个堆芯捕捉器——一种“捕捉”熔融燃料、将其容纳并用重力给水覆盖的结构。捕捉器将防止熔化的放射性堆芯从地板逸出。
安全与成本的权衡
核电设计师没有奢侈的条件来预防任何一种类型的灾难。他们需要牢记许多情景。问题是，不同的威胁需要不同的措施，有时为一种威胁做准备会削弱另一种威胁。对新型 AP1000 被动安全反应堆最具破坏性的批评可能来自 NRC 的高级结构工程师约翰·马。2009 年，NRC 针对 9 月 11 日事件做出了一项安全变更，规定所有电站的设计都应能承受飞机的直接撞击。为了满足新要求，西屋电气用钢板包裹了建筑物的混凝土墙。
去年，自 1974 年 NRC 成立以来一直是其成员的马先生在 NRC 批准该设计后，提出了他职业生涯中的第一个“不赞同”异议。在异议中，马先生认为，一些钢蒙皮部件非常脆，以至于飞机撞击或风暴驱动的弹丸的“冲击能量”可能会震碎墙壁。西屋电气聘请的一组工程专家不同意，为 NRC 反应堆安全咨询委员会提供咨询的几位工程师也不同意，该委员会建议批准该设计。
然而，其他更激进的设计似乎提供了更大的安全裕度。所谓的卵石床反应堆是一种正在开发的 Gen III+ 设计，它依靠气体而不是水来带走核燃料的热量，并包含数千个微小的放射性物质颗粒，这些颗粒嵌入在网球大小的石墨球中。石墨减缓了裂变速度，使堆芯不太可能过热，而且冷却气体比变成蒸汽的水更不容易引起爆炸。其他一些所谓的发电量较小但成本远低于大型设施的小型模块化反应堆也可能值得考虑，因为它们产生的热量较少，更容易冷却。
大多数核专家似乎对西屋电气在安全性和成本之间取得的平衡感到满意，并认为其安全壳结构为大多数事故提供了足够的保护。最终，工程师必须决定如何在安全性和成本之间取得最佳平衡。
想象力的失败
然而，福岛事件提出的问题超出了设计偏好。造成这场灾难的原因之一是想象力的失败，这是任何监管者或设计师都容易犯的错误。福岛核电站的设计能够承受 8.2 级地震，而 9.0 级地震在其安全裕度之内。但是，尽管该电站的设计能够承受 18.7 英尺的海啸波浪，但袭击该电站的波浪却高达 46 英尺。美国地质调查局门洛帕克地震科学中心主任托马斯·布罗彻说，如此高度的波浪并非没有先例：公元 869 年，该地区曾发生过规模相当的地震和海啸。当工程师犯下此类“设计基准”错误时——对于反应堆、桥梁或摩天大楼——一切都不可预测了。
在美国，这种严重的误算似乎不太可能发生。NRC 要求运营商证明其电站能够承受基于所有已知信息“加上额外的安全裕度”的最大洪水、海啸或地震，NRC 发言人布赖恩·安德森说。该标准基于对过去 10,000 年中区域最大地震的建模估计。加州大学伯克利分校的地震工程专家和 NRC 顾问博齐达尔·斯托贾迪诺维奇说，额外的误差裕度通常为该规模的 1.5 到 2 倍。
尽管如此，工程师只能为他们可以预见的事件做好准备。地震学家总是在发现新的地震风险。几十年前，西北太平洋地区发生地震或海啸的可能性被认为是微乎其微的。然后，科学家们将那里的红雪松树的死亡日期追溯到 1700 年，这表明那一年发生了一场地震，并在日本发现了海啸记录，证实了这一点。地质学家倒推，确定一场 9.0 级地震袭击了大致从温哥华岛北部到加利福尼亚州北部之间的区域。这一认识永远改变了该地区建造建筑物的设计基准。此前，该地区已建造了两座核电站——俄勒冈州和加利福尼亚州北部——但这两座核电站都已退役。
美国东海岸的地震非常罕见，以至于地震研究似乎远没有那么紧迫。尽管如此，纽约市以北的印第安角反应堆距离美国近 6% 的人口只有 50 英里，人口密度高于美国任何其他电站。波士顿学院地震学家约翰·E·埃贝尔说，地震学家对该地区哪些断层可能引起地震或它们可能如何相互作用意见不一。2008 年的一项研究发现，许多被认为不活跃的小型局部断层实际上可能导致大地震。
南加州大学工程学教授、核电站地震影响专家纳吉·梅什卡蒂说，福岛事件表明需要一种“新范式”。他说：“我们的设计基准一直基于不可能的可能性。”“但是工程师不太擅长为万年一遇且从未发生的事件进行设计。”这种不确定性使得不可能知道两倍于设计基准的误差裕度是否足够。
另一方面，NRC 反应堆安全咨询委员会成员迈克尔·科拉迪尼说，没有人造结构是 100% 防震的。“问题是，”他说，“您愿意为哪些情况进行设计——社会是否理解并接受这种安全系数？”
安全到什么程度才算足够安全？当谈到核电时，周全的答案必须考虑到替代方案以及您可以承受的风险类型。根据美国能源部的数据，煤炭发电量占全国电力的一半，碳排放量占发电厂碳排放量的 80%；核电发电量占全国电力的 20%，不排放二氧化碳。清洁空气任务部队委托进行的一项 2000 年的研究显示，仅两家东北部燃煤电厂造成的污染就与每年数万次哮喘发作、数十万次上呼吸道疾病和 70 人死亡有关。天然气燃烧更清洁，但越来越多的证据表明，某些开采方法对环境和人类健康构成自身风险。
日本事故后的不确定性仍然可能使一些新反应堆的计划脱轨，但全球变暖的紧迫性和我们对能源的需求表明，复兴将继续。能源部长朱棣文在奥巴马总统宣布 83 亿美元的有条件贷款担保后，于 2010 年 2 月认可了 AP1000。“佐治亚州的沃格特勒项目 [在佐治亚州] 将帮助美国重新夺回核技术的领先地位，”朱棣文说。核电的良好记录也为拥护者提供了论据。尽管三里岛事件令人焦虑，但它并未造成一人伤亡。当然，良好的记录并不能反映从未发生但有一天可能会发生的事件。