[這是關於核能的未來的深入報告的第一部分。]
在薩斯喀徹溫省薩斯卡通以北近 400 英里（645 公里）處，坐落著麥克阿瑟河鈾礦。* 該礦由世界最大的鈾生產商 Cameco Corp. 所有並運營，2007 年開採了約 1870 萬磅（850 萬公斤）核元素。根據世界核協會 (WNA) 的資料，該年度的產量足以滿足美國 104 座核反應堆大約四分之一的年度燃料需求。
加拿大、澳大利亞和哈薩克的此類鈾礦床構成了世界已知供應的大部分——儘管鈾是一種普遍存在的原子，甚至可以從海水中提取。全球有436 座反應堆每年消耗 65,000 公噸（1 公噸等於 1.1 美噸）的濃縮鈾，對這種核反應堆燃料的需求超過了可用供應，這導致鈾價格從幾年前的每磅 10 美元低點躍升至 2007 年的每磅 130 美元以上，而如今仍然超過每磅 50 美元。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關當今塑造我們世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
核能正處於美國的復興之中——2007 年 9 月提交了 30 多年來第一個新反應堆的申請——並且全球正在進行新反應堆的建設熱潮。這種復興需要充分利用現有和尚未發現的、為這些發電廠提供燃料的鈾礦。美國近 20 年來第一個新鈾礦的申請——透過化學浸出法從周圍岩石中提取鈾並將其泵送到懷俄明州的摩爾牧場地面——於 2007 年 10 月由 Energy Metals Corp. 提交，隨後又提交了 19 個申請。
但是，為現有和新反應堆找到足夠的燃料可能具有挑戰性，防止困擾鈾礦開採的健康和環境影響也是如此。
大型挖掘
麥克阿瑟河礦的鈾礦床既深又集中。十七英尺高、十一噸重的天井鑽機以高達 750,000 磅（340,194 公斤）的力刺入岩石，然後用 10 英尺（3 米）寬的擴孔頭啃食礦石，每轉動 1 英尺（30.5 釐米）施加高達 115,000 磅（52,163 公斤）的力。它們在地面以下 1,700 英尺（520 米）以下工作，將礦石撞入地下近 2,100 英尺（640 米）的隧道中的遙控裝載機中。
事實上，大多數採礦都是透過遙控完成的，因為麥克阿瑟河礦床非常豐富：根據 Cameco 的資料，超過 20% 是三氧化二鈾 (U3O8)，這是自然界中最常見的鈾形式。與人類礦工相比，這些機器能更好地處理衰變元素的輻射，並且能耐受礦石釋放的氡氣；早在 20 世紀 70 年代和 80 年代，美國納瓦霍鈾礦工——及其接觸殘留放射性粉塵和碎片以及受汙染水的家人——患上了肺癌和其他疾病。
但這並沒有將人類完全排除在麥克阿瑟河的景象之外；人類礦工密切關注著無線電控制的裝載機（稱為鏟運機），並直接操作許多其他採礦機械。在緊急情況下，礦工至關重要：2003 年發生的塌方和洪水需要人類進行維修，而任務的緊迫性——整個礦山可能被摧毀——導致他們放棄了通常的安全裝置。
但在更典型的一天，遙控裝載機將礦石傾倒到地下磨坊中，在那裡將岩石塊磨成細粉，與水混合並作為泥漿泵送到地面。柴油卡車將泥漿容器運送 50 英里（80 公里）到基湖的較大磨坊，在那裡與低品位礦石混合。然後將所得混合物化學轉化為“黃餅”——一種棕色或黑色粉狀濃縮鈾氧化物。
無論鈾是從澳大利亞的 Ranger 礦等露天礦坑中開採出來，還是像麥克阿瑟河一樣從地下深處開採出來，還是像懷俄明州的史密斯牧場-高地礦（美國最大的礦山）一樣從岩石中化學浸出，黃餅都是最終產品，以及大量的放射性尾礦，通常還有受汙染的水。從麥克阿瑟河開採的每公噸鈾礦石，都會產生大約一公噸的廢石，這些廢石通常具有放射性，並且富含有毒重金屬——而其他礦山每噸礦石產生的廢石甚至更多。
據報告，從麥克阿瑟河磨碎的那公噸礦石大約含有 20% 的鈾，那麼最多將產生 440 磅（200 公斤）的黃餅和 1,765 磅（800 公斤）的有毒放射性尾礦。對於鈾濃度更低的礦石——麥克阿瑟河是濃度最高的活性礦山——鐳和其他放射性元素（以及砷和汞等有毒重金屬）中的廢物比例甚至更高——而麥克阿瑟河的鈾濃度遠低於附近兔湖或剛果民主共和國加丹加省的欣科洛布韋等過去的礦山。
然而，鈾仍然不能在核反應堆中使用。
濃縮
雖然黃餅在加工後含有 80% 以上的鈾，但其中大部分鈾是無法使用的。在每 1,000 個天然鈾原子中，只有 7 個原子在受到中子轟擊時可以很容易地分裂：它們是易裂變同位素 U235。其餘的大部分是相對穩定的 U238（以及少量的 U234）。
世界各地的反應堆要求其燃料的 U235含量在 3% 到 5% 之間，即每 1,000 個鈾原子中含有 30 到 50 個易裂變同位素原子。因此，在天然鈾可以作為核電站燃料發揮作用之前，必須提高這種同位素的濃度。在美國，目前只有一家工廠能夠如此濃縮天然鈾——位於肯塔基州的帕迪尤卡氣體擴散廠，建於 1952 年。
該工廠佔地 74 英畝，並且大部分時間至少消耗 300 兆瓦的電力，峰值高達 2,000 兆瓦（其中大部分來自附近燃煤電廠），以加熱六氟化鈾直到其氣化，然後將其強制透過 1,760 個多孔膜，逐漸濃縮裂變同位素的含量——這是二戰期間發明的方法。“氣體擴散是一個電力密集型過程，”位於馬里蘭州貝塞斯達的 USEC, Inc. 的發言人傑里米·德里伯裡說，該公司從能源部 (DoE) 租賃並運營帕迪尤卡。“但我們不討論我們用於濃縮的電力是多少。”
根據美國核管理委員會 (NRC) 發言人戴維·麥金太爾的說法，一公噸黃餅變成大約 255 磅（115 公斤）的六氟化鈾，其中含有高達 5% 的 U235，適合用作燃料；剩餘的 2,500 磅（1,135 公斤）貧鈾是廢物。NRC 是負責監督核電行業的聯邦機構。“這些數字可能會因濃縮的目標含量而異，”他補充道。
USEC 更願意根據“分離功單位”來衡量這種效率，即濃縮鈾所需的能量。“我們以 500 萬 SWU 的速度執行，”德里伯裡說，這足以將超過 1800 萬磅（820 萬公斤）的天然鈾轉化為超過 180 萬磅（816,465 公斤）的濃縮鈾，其中含有 4.5% 的 U235。
這也足以滿足美國 104 座反應堆近一半的燃料需求，一旦全國各地的各種工廠將這些鈾製成直徑為二分之一英寸（1.27 釐米）的黑色顆粒，然後用鋯包層包裹顆粒，將其製成棒狀。其餘燃料來自政府儲備和拆除的俄羅斯核彈頭。
百萬噸到兆瓦
美國核電站提供的電力中，大約一半（近 20%）來自舊的俄羅斯彈頭。在帕迪尤卡負責濃縮天然鈾的同一家公司也在稀釋俄羅斯 14,000 多枚核彈頭中包含的高濃縮鈾或 HEU（90% 的 U235）。到目前為止，已將 350 公噸的俄羅斯 HEU 轉化為 10,160 公噸的稀釋物質，適合用於核反應堆。（美國政府方面，根據負責監督國家核武器的能源部 (DoE) 部門國家核安全管理局的說法，美國政府已將其不再需要的大約 100 公噸 HEU 降級。）
德里伯裡表示，該公司計劃在 2013 年完成這項工作，根據科羅拉多州基石中心在 2007 年釋出的一份分析報告，這與當前長期鈾採購協議到期的時間大致相同，該中心彙集了一個由公用事業高管、環保主義者和其他專家組成的小組，以研究核電的未來作用，特別是在逆轉氣候變化方面可能發揮的作用。美國核管理委員會的麥金太爾推測說：“武器降級正在逐漸減少，而且供應不是無限的，這是鈾市場繁榮的部分原因。”
一些專家認為，更令人擔憂的是高濃度鈾礦床的快速減少。“高品位礦將在十年內耗盡，”荷蘭 Ceedata 諮詢公司的能源和技術分析師 Jan Willem Storm van Leeuwen 說，該公司為歐洲各國政府等提供核問題諮詢。他預測（在他 2005 年為英國議會準備的報告中），按照目前的消費率，行業平均礦石品位將在未來十年內降至 0.1% 以下——即每 1,000 公噸非鈾物質中含有一公噸鈾。
“核電站的能源投資回報時間目前約為 11 年，而天然氣則為半年，”Storm van Leeuwen 認為，這包括核電站在其使用壽命結束時的退役全部成本。“據估計，在英國拆除一座反應堆的成本現在約為每座 1 吉瓦電力的反應堆 70 億歐元（99 億美元）。這甚至在第一顆螺栓被鬆開之前。”
Storm van Leeuwen 發現，到 2070 年，開採、研磨、濃縮和製造一公噸鈾燃料所消耗的能量可能大於 160 太焦耳——這是從其產生的能量。
其他研究對製造鈾燃料所需的能量給出了不同的估計，正如世界核協會（WNA）指出的那樣，一噸天然鈾產生的能量幾乎是等量煤炭的 20,000 倍——煤炭是目前最便宜的發電形式。換句話說，一噸鈾可以產生超過 19,000 噸煤炭燃燒產生的電量。
國際原子能機構（IAEA）在 2005 年估計，全球已知的鈾儲量為 470 萬噸（回收成本各不相同），另外還有 1000 萬噸尚未被發現——充足的同位素可以滿足全球 436 座核反應堆每年所需的 65,000 噸燃料。
此外，如果鈾的價格足夠高，那麼從磷酸鹽（估計可以額外產出 2200 萬噸）或海水中（據認為有高達 40 億噸的儲量）分離鈾可能在經濟上可行（即使能源效率不高）。
復興的需求
尋找更多鈾的工作已經開始認真進行，但自 1988 年以來，沒有發現任何接近麥克阿瑟河礦藏濃度的鈾礦。“我們肯定在考慮擴大薩斯喀徹溫省北部阿薩巴斯卡盆地的現有業務，”卡梅科發言人萊爾·克拉恩說。“我們的核心勘探活動主要集中在加拿大和澳大利亞，但我們也參與了世界許多地方，如哈薩克和美國。”
由於世界上許多地方暫停新建核電站以及核武器燃料的湧入，這種勘探在 20 世紀 80 年代和 90 年代陷入停滯。“我預計到 2010 年會出現一些重大的新發現，”多倫多鈾礦勘探公司 UNOR, Inc. 的總裁兼執行長喬治·貝爾說。“這些鈾礦將在 2017 年開始運輸，那時正是你需要的，因為那時計劃中的新一波反應堆將開始啟動。”
美國核管理委員會（NRC）負責監管鈾的浸取採礦，預計在美國將有 11 個新的浸取礦申請，除了已提交的 Moore Ranch 專案，以及八個運營點的擴建。此外，可能會建造多達七個新的礦石加工廠，麥金太爾說。英國濃縮鈾製造商 Urenco, Ltd. 正在新墨西哥州尤尼斯附近建設一座更高效的離心濃縮廠，計劃今年開始生產燃料，而總部位於法國的阿海琺公司於去年 12 月向 NRC 提交了在愛達荷州建造另一座濃縮廠的許可證申請。
USEC 公司也於 5 月在俄亥俄州皮克頓舊的氣體擴散濃縮廠所在地開始建設新的離心濃縮廠。“我們可能會在 2010 年擁有第一批生產機器，”德里伯裡說。“美國離心機[技術]比同等的氣體擴散工廠的耗電量減少 95%。”
此外，核工程師們還發現了在裂變鈾燃料不可避免地耗盡之前，從其中提取更多熱量的方法。麻省理工學院的帕維爾·海茲拉爾發明了一種環形燃料配置，透過使其更高效地在更低的溫度下執行，將工廠的功率輸出提高 50%。
美國政府也有興趣按照全球核能夥伴關係（一個由 21 個外國和國核心技術公司組成的聯盟，旨在促進核能發展）的條款，像法國、日本、俄羅斯和英國那樣回收乏核燃料。根據能源部的說法，按照提議，乏燃料將在新工廠“後處理”，以去除鈽，並使裂變材料可以作為反應堆燃料使用，儘管批評者認為這既昂貴又危險。
一些科學家認為，釷是一種更豐富的元素，可以用中子轟擊以產生裂變燃料同位素鈾233，可能成為未來的核燃料。
與此同時，對鈾——核反應堆的燃料——的搜尋仍在繼續，儘管速度緩慢。“我們已經找到了更容易找到的礦藏，即那些離地表更近的，”卡梅科的克拉恩說。“是否有更多潛力？在找到之前，你不知道那裡有什麼。找到並建造一個鈾礦需要很長時間，就像建造一個反應堆需要很長時間一樣。這是一個長期的業務。”
*注（08 年 1 月 27 日）：由於錯誤，這句話在發表後進行了修改。