編者按：本文以“尋找黑天鵝”為標題刊印。
在遠離日本受災的福島第一核電站的半個地球之外，在佐治亞州的松樹林深處，數百名工人正在為他們仍然相信即將到來的美國核能復興準備場地。推土機在新鮮、堅硬的回填土的沉陷高原上隆隆駛過，這些回填土覆蓋了數英里最近埋設的管道和雨水排水管。如果計劃順利進行，明年某個時候，兩座新的核反應堆將開始從地面升起——這是 25 年多來美國首次批准的反應堆。
這將是美國核能復興擴張的開始，1979 年三里島核電站發生部分堆芯熔燬事故後，美國的核能發展實際上陷入停滯。從那時起，氣候變化的陰影使核能從環境威脅轉變為潛在的無碳能源。喬治·W·布什總統和巴拉克·奧巴馬總統都擁抱了這項技術，希望能引發新的建設。美國核管理委員會 (NRC) 正在審查建造另外 20 座反應堆的提案，加上幾十年前建造的 104 座反應堆。
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這些新反應堆中有一半以上——包括佐治亞州韋恩斯伯勒的兩個沃格特勒機組——將是 AP1000，這是新一代反應堆中的第一種，它採用了旨在避免像日本那樣災難的“被動”安全功能。在發生事故時，反應堆依靠重力和冷凝等自然力來幫助防止其核燃料危險地過熱——福島核電站缺乏這些功能。
幾個月前，佐治亞州的兩座 AP1000 似乎很有希望在今年晚些時候贏得 NRC 最終的建造批准。但是 3 月份的福島災難，一場驚人的 9.0 級地震和巨大的海嘯導致四個反應堆的熱堆芯失去了冷卻劑，再次將核災難的前景擺在了公眾面前。幾周之內，民意調查顯示，與事故發生前相比，支援新建反應堆的美國人比例從 49% 降至 41%，這反映了對該技術的不信任，儘管有人保證風險微乎其微，反應堆防禦措施也很強大。福島的景象為風險評估的侷限性提供了一個活生生的教訓。
儘管有計劃，核電始終容易受到黑天鵝事件的影響——極不可能發生但會產生重大影響的事件。罕見事件——尤其是從未發生過的事件——難以預見，計劃成本高昂，並且容易被統計資料所忽視。僅僅因為某件事應該每 10,000 年才發生一次，並不意味著它明天就不會發生。在電站典型的 40 年壽命中，假設也會發生變化，就像 2001 年 9 月 11 日、2005 年 8 月卡特里娜颶風襲擊以及福島事件發生後那樣。
潛在的黑天鵝威脅清單令人震驚地多樣化。核反應堆及其乏燃料池是恐怖分子駕駛被劫持飛機的目標。反應堆可能位於水壩下游，如果水壩決堤，可能會引發聖經般的洪水。一些反應堆位於靠近地震斷層或暴露於海嘯或颶風風暴潮的海岸線附近。這些威脅中的任何一個都可能產生像三里島和福島那樣出現的最終危險情景——災難性的冷卻劑故障、放射性燃料棒的過熱和熔化，以及致命的放射性物質釋放。（爆炸點燃了切爾諾貝利的堆芯。）
為這些情景做準備已經夠難了，更不用說還要控制在預算之內。公用事業公司試圖減少建造反應堆的鉅額前期費用。即使採用簡化的許可和建造流程，現在建造一座核電站的每兆瓦成本也幾乎是燃煤電站的兩倍，幾乎是天然氣電站的五倍。這種差異可以透過較低的運營成本來彌補——煤炭的成本幾乎是核燃料的四倍，而天然氣的成本是核燃料的 10 倍——但只有當核電站能夠在高負荷下執行多年時，這些節省才能實現。在 20 世紀 70 年代和 80 年代，因維護和安全問題而導致的電站停運有時會破壞運營收益。為了使核能具有競爭力，供應商試圖透過簡化系統並提高可靠性來削減建設成本並減少停運時間，而又不降低安全裕度。
當然，即使工程師將其包裹在巨大的安全殼牆壁中，將其埋在水密的拱頂中，並聘請一支通靈師軍隊來預測未來，也不可能建造出能夠免受任何威脅的反應堆。在設計 AP1000 時，工程師無疑試圖在物理學、成本和災難計劃的無數限制中選擇最佳方案。他們所提出的必然是妥協的產物。在福島事件之後，人們最關心的問題是：核反應堆是否足夠安全？
被動防禦災難
NRC 審查中的 AP1000 和其他“Gen III+”反應堆的設計考慮了與日本不同的災難。1979 年賓夕法尼亞州哈里斯堡附近三里島的部分堆芯熔燬並非由自然災害引起，而是主要由人為錯誤引起。幾個月之內，工程師們開始集思廣益，改進反應堆，簡化安全功能，並增加無需人為干預即可啟動的冷卻備用系統。AP1000 等 Gen III+ 反應堆就是成果。
AP1000 內部的水冷卻劑在閉合的管道系統中迴圈。當水流過反應堆堆芯時，它會吸收熱量，但不會汽化，因為它保持在高壓下。管道反過來又被來自二級水庫的水冷卻。如果泵的電力丟失，反應堆有電池備用。如果電池也失效，自然力就會接管：水從三個緊急水箱中流入，這些水箱儲存在反應堆的圓頂形鋼製安全殼內，安全殼聳立在堆芯上方。
停電會導致閥門開啟，堆芯和水箱之間的壓力和溫差會將冷卻的水箱水移動到反應堆容器中，以冷卻燃料棒。如果需要，來自外部混凝土遮蔽建築天花板上的巨大第四個水箱的水可以直接傾瀉到圓頂外部，透過蒸發成蒸汽帶走熱量。在圓頂內部，從反應堆堆芯升起的蒸汽撞擊冷卻的天花板，冷凝並落回堆芯。據西屋電氣公司前首席技術官霍華德·布魯斯基稱，第四個水箱可容納 795,000 加侖的水，足夠維持三天，並且可以透過軟管重新加註。建築物中的通風口還會吸入外部空氣，從而冷卻鋼製安全殼。
這些備用系統的優點——以及使 AP1000 比舊反應堆有所改進的原因——在於它們不需要電力或人為操作。支持者認為，襲擊福島的“站場停電”——電網和現場備用發電機的電力損失，導致所有冷卻泵停止運轉——如果這些系統到位，問題就會少得多。即使備用系統僅工作幾天，也足以讓電站操作員有時間重新建立電力供應。
這些系統是否可以防止堆芯熔燬和向大氣釋放輻射是一個有爭議的問題。Gen III+ 設計的支持者聲稱，它們比美國 104 座執行中的反應堆至少安全 10 倍。其他工程師則更加保守。阿貢國家實驗室核工程部主任侯賽因·S·哈利勒的說法僅限於：“實際上，可以公平地說，Gen III+ 電站透過自然手段實現了與現有電站增加的升級相當的安全程度。”
行業評論員埃德溫·萊曼是憂思科學家聯盟的高階工作人員科學家，他甚至不願意承認這一點。他質疑為西屋電氣的 AP1000 和通用電氣的 ESBWR（另一種新設計）所做的特定成本節約設計選擇。萊曼最關心的是 AP1000 周圍的鋼製安全殼和混凝土遮蔽建築的強度。在福島，當工程師向安全殼結構中注入水以冷卻裸露的燃料棒時，他們一直擔心蒸汽和潛在的爆炸性氫氣帶來的壓力。
萊曼說，AP1000 安全殼容器沒有足夠的安全裕度。他用來衡量反應堆安全殼容量（從而衡量其承受壓力升高的能力）的一個標準是反應堆的熱功率與其安全殼體積之比。對於西屋電氣的 AP600（一種因發電量太小而對公用事業公司沒有吸引力而被淘汰的前身），該比率約為每兆瓦 885 立方英尺——與大多數執行中的壓水反應堆大致相當。但是，當西屋電氣將反應堆擴大到 AP1000 的 1,100 兆瓦時，它並沒有按比例擴大安全殼容量；萊曼說，該比率降至每兆瓦 605 立方英尺。他指出，安全殼容器和建築物“非常昂貴”。
西屋電氣的布魯斯基辯稱，AP1000 仍完全在 NRC 法規要求的範圍內。他補充說——幾位獨立的核工程師也表示同意——被動系統提供的額外冷卻最有可能降低安全殼在嚴重事故期間將面臨的壓力。不過，萊曼擔心壓力會累積到超出許多核工程師預期的程度。
萊曼對阿海琺 EPR 的設計更為放心，這是一種與德國和法國公用事業公司以及歐洲監管機構協商開發的模型，目前正在接受 NRC 審查。阿海琺反應堆與被動備用系統不同，它有四個主要的柴油發電機和兩個輔助發電機，所有發電機都安置在位於電站兩側的獨立防水建築物中。阿海琺反應堆和業務集團技術副總裁馬蒂·帕雷斯說，這使得它們不太可能同時全部失效。即使發電機確實失效，EPR 也具有更厚實的雙層安全殼建築和一個堆芯捕捉器——一種“捕捉”熔融燃料、將其容納並用重力給水覆蓋的結構。捕捉器將防止熔化的放射性堆芯從地板逸出。
安全與成本的權衡
核電設計師沒有奢侈的條件來預防任何一種型別的災難。他們需要牢記許多情景。問題是，不同的威脅需要不同的措施，有時為一種威脅做準備會削弱另一種威脅。對新型 AP1000 被動安全反應堆最具破壞性的批評可能來自 NRC 的高階結構工程師約翰·馬。2009 年，NRC 針對 9 月 11 日事件做出了一項安全變更，規定所有電站的設計都應能承受飛機的直接撞擊。為了滿足新要求，西屋電氣用鋼板包裹了建築物的混凝土牆。
去年，自 1974 年 NRC 成立以來一直是其成員的馬先生在 NRC 批准該設計後，提出了他職業生涯中的第一個“不贊同”異議。在異議中，馬先生認為，一些鋼蒙皮部件非常脆，以至於飛機撞擊或風暴驅動的彈丸的“衝擊能量”可能會震碎牆壁。西屋電氣聘請的一組工程專家不同意，為 NRC 反應堆安全諮詢委員會提供諮詢的幾位工程師也不同意，該委員會建議批准該設計。
然而，其他更激進的設計似乎提供了更大的安全裕度。所謂的卵石床反應堆是一種正在開發的 Gen III+ 設計，它依靠氣體而不是水來帶走核燃料的熱量，幷包含數千個微小的放射性物質顆粒，這些顆粒嵌入在網球大小的石墨球中。石墨減緩了裂變速度，使堆芯不太可能過熱，而且冷卻氣體比變成蒸汽的水更不容易引起爆炸。其他一些所謂的發電量較小但成本遠低於大型設施的小型模組化反應堆也可能值得考慮，因為它們產生的熱量較少，更容易冷卻。
大多數核專家似乎對西屋電氣在安全性和成本之間取得的平衡感到滿意，並認為其安全殼結構為大多數事故提供了足夠的保護。最終，工程師必須決定如何在安全性和成本之間取得最佳平衡。
想象力的失敗
然而，福島事件提出的問題超出了設計偏好。造成這場災難的原因之一是想象力的失敗，這是任何監管者或設計師都容易犯的錯誤。福島核電站的設計能夠承受 8.2 級地震，而 9.0 級地震在其安全裕度之內。但是，儘管該電站的設計能夠承受 18.7 英尺的海嘯波浪，但襲擊該電站的波浪卻高達 46 英尺。美國地質調查局門洛帕克地震科學中心主任托馬斯·布羅徹說，如此高度的波浪並非沒有先例：公元 869 年，該地區曾發生過規模相當的地震和海嘯。當工程師犯下此類“設計基準”錯誤時——對於反應堆、橋樑或摩天大樓——一切都不可預測了。
在美國，這種嚴重的誤算似乎不太可能發生。NRC 要求運營商證明其電站能夠承受基於所有已知資訊“加上額外的安全裕度”的最大洪水、海嘯或地震，NRC 發言人布賴恩·安德森說。該標準基於對過去 10,000 年中區域最大地震的建模估計。加州大學伯克利分校的地震工程專家和 NRC 顧問博齊達爾·斯托賈迪諾維奇說，額外的誤差裕度通常為該規模的 1.5 到 2 倍。
儘管如此，工程師只能為他們可以預見的事件做好準備。地震學家總是在發現新的地震風險。幾十年前，西北太平洋地區發生地震或海嘯的可能性被認為是微乎其微的。然後，科學家們將那裡的紅雪松樹的死亡日期追溯到 1700 年，這表明那一年發生了一場地震，並在日本發現了海嘯記錄，證實了這一點。地質學家倒推，確定一場 9.0 級地震襲擊了大致從溫哥華島北部到加利福尼亞州北部之間的區域。這一認識永遠改變了該地區建造建築物的設計基準。此前，該地區已建造了兩座核電站——俄勒岡州和加利福尼亞州北部——但這兩座核電站都已退役。
美國東海岸的地震非常罕見，以至於地震研究似乎遠沒有那麼緊迫。儘管如此，紐約市以北的印第安角反應堆距離美國近 6% 的人口只有 50 英里，人口密度高於美國任何其他電站。波士頓學院地震學家約翰·E·埃貝爾說，地震學家對該地區哪些斷層可能引起地震或它們可能如何相互作用意見不一。2008 年的一項研究發現，許多被認為不活躍的小型區域性斷層實際上可能導致大地震。
南加州大學工程學教授、核電站地震影響專家納吉·梅什卡蒂說，福島事件表明需要一種“新正規化”。他說：“我們的設計基準一直基於不可能的可能性。”“但是工程師不太擅長為萬年一遇且從未發生的事件進行設計。”這種不確定性使得不可能知道兩倍於設計基準的誤差裕度是否足夠。
另一方面，NRC 反應堆安全諮詢委員會成員邁克爾·科拉迪尼說，沒有人造結構是 100% 防震的。“問題是，”他說，“您願意為哪些情況進行設計——社會是否理解並接受這種安全係數？”
安全到什麼程度才算足夠安全？當談到核電時，周全的答案必須考慮到替代方案以及您可以承受的風險型別。根據美國能源部的資料，煤炭發電量佔全國電力的一半，碳排放量佔發電廠碳排放量的 80%；核電發電量佔全國電力的 20%，不排放二氧化碳。清潔空氣任務部隊委託進行的一項 2000 年的研究顯示，僅兩家東北部燃煤電廠造成的汙染就與每年數萬次哮喘發作、數十萬次上呼吸道疾病和 70 人死亡有關。天然氣燃燒更清潔，但越來越多的證據表明，某些開採方法對環境和人類健康構成自身風險。
日本事故後的不確定性仍然可能使一些新反應堆的計劃脫軌，但全球變暖的緊迫性和我們對能源的需求表明，復興將繼續。能源部長朱棣文在奧巴馬總統宣佈 83 億美元的有條件貸款擔保後，於 2010 年 2 月認可了 AP1000。“佐治亞州的沃格特勒專案 [在佐治亞州] 將幫助美國重新奪回核技術的領先地位，”朱棣文說。核電的良好記錄也為擁護者提供了論據。儘管三里島事件令人焦慮，但它並未造成一人傷亡。當然，良好的記錄並不能反映從未發生但有一天可能會發生的事件。