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編者按：本文最初發表於2003年1月刊的《大眾科學》。
電價上漲和去年夏天加利福尼亞州的輪流停電，使人們重新關注核能在維持美國電力供應方面的關鍵作用。如今，103座核電站生產了全國總髮電量的五分之一。儘管公眾對三哩島和切爾諾貝利仍存有顧慮，但該行業已經吸取了教訓，並在過去十年中建立了可靠的安全記錄。與此同時，核電站的效率和可靠性已攀升至創紀錄的水平。現在，隨著關於減少溫室氣體以避免全球變暖潛在發生的持續辯論，越來越多的人認識到核反應堆發電不會向空氣中排放二氧化碳或諸如氮氧化物和造成煙霧的硫化物等汙染物。預計到2030年，世界能源需求將增長約50％，到2050年將增長近一倍。顯然，現在似乎是重新考慮核電未來的時候了。
自1978年以來，美國沒有訂購新的核電站，自1995年以來也沒有完工的核電站。恢復大規模核電站建設需要解決有關實現經濟可行性、提高執行安全性、有效廢物管理和資源利用以及武器不擴散的具有挑戰性的問題，所有這些都受到所選核反應堆系統設計的影響。
新型核系統的設計者正在採用新穎的方法，試圖取得成功。首先，他們正在擁抱核燃料迴圈的系統視角，該視角包括從礦石開採到廢物管理以及支援這些步驟的基礎設施開發的所有步驟。其次，他們正在根據其可持續性來評估系統——在不損害後代繁榮能力的情況下滿足當前的需求。這是一種有助於闡明能源供應與環境和社會需求之間關係的策略。對可持續性的這種強調可以導致開發除電力以外的核能衍生產品，例如用於運輸的氫燃料。它還促進了對替代反應堆設計和核燃料再迴圈工藝的探索，這些工藝可以在減少廢物的同時回收鈾中包含的更多能量。
我們認為，大規模部署核電技術比其他能源具有顯著的優勢，但在如何使其適應未來方面面臨重大挑戰。
未來核系統為了應對在實現可持續性、足夠高的安全性和核電的競爭性經濟基礎方面遇到的困難，美國能源部於1999年啟動了第四代計劃。第四代是指將核設計大致分為四類：早期原型反應堆（第一代）、當今的大型中心站核電站（第二代）、近年來設計的具有固有安全性的先進輕水反應堆和其他系統（第三代）以及未來二十年內設計和建造的下一代系統（第四代）[參見對頁的方框]。到2000年，國際社會對第四代專案的興趣促成了一個由9個國家組成的聯盟，包括阿根廷、巴西、加拿大、法國、日本、南非、韓國、英國和美國。參與國正在規劃和合作進行未來核能系統的研發。
儘管第四代計劃正在探索各種新系統，但一些示例可以說明反應堆設計人員為實現其目標而開發的廣泛方法。這些下一代系統基於三類通用反應堆：氣冷、水冷和快譜。
氣冷反應堆使用氣體（通常是氦氣或二氧化碳）作為堆芯冷卻劑的核反應堆已經成功建造和執行，但迄今為止僅獲得有限的使用。一種特別令人興奮的前景，被稱為卵石床模組化反應堆，具有許多設計特性，這些特性在很大程度上滿足了第四代的目標。中國、南非和美國的工程團隊正在追求這種氣冷系統。南非計劃建造一個全尺寸原型，並於2006年開始執行。
卵石床反應堆設計基於一種基本燃料元件，稱為卵石，它是一個檯球大小的石墨球體，包含大約15,000個罌粟籽直徑的氧化鈾顆粒。均勻分散的顆粒每個都有幾個高密度塗層。其中一層由堅韌的碳化矽陶瓷組成，在反應堆執行或意外溫度升高期間，它充當壓力容器以保留核裂變產物。大約330,000個這種球形燃料卵石被放置在被石墨塊遮蔽包圍的金屬容器中。此外，多達100,000個無燃料的石墨卵石被載入到堆芯中，透過間隔開熱燃料卵石來塑造其功率和溫度分佈。
耐熱耐火材料被用於整個堆芯，以使卵石床系統在比當今輕水冷（第二代）設計中通常產生的300攝氏度更高的溫度下執行。從堆芯以900攝氏度排出的氦氣工作流體直接送入燃氣渦輪機/發電機系統，該系統以相對較高的40％熱效率水平發電，比目前的輕水反應堆高出四分之一。
卵石床反應堆設計的相對較小尺寸和總體簡單性增加了它們的經濟可行性。每個發電模組產生120兆瓦的電力輸出，可以部署在只有當今中心站工廠十分之一大小的單元中，這使得可以開發更靈活、規模適中的專案，這些專案可能提供更有利的經濟結果。例如，模組化系統可以在工廠中製造，然後運到施工現場。
與當前設計相比，卵石床系統的相對簡單性是驚人的：這些單元只有大約二十幾個主要工廠子系統，而輕水反應堆中約有200個。值得注意的是，這些工廠的執行可以擴充套件到更高的溫度範圍，這使得可以從水或其他原料中低排放生產氫氣，用於燃料電池和清潔燃燒的運輸發動機，這些技術是可持續的氫基能源經濟的基礎。
這些下一代反應堆還包含幾個重要的安全特性。作為一種惰性氣體，氦冷卻劑不會與其他材料發生反應，即使在高溫下也是如此。此外，由於燃料元件和反應堆堆芯由耐火材料製成，因此它們不會熔化，只有在事故中遇到的極高溫度（超過1,600攝氏度）下才會降解，這一特性提供了相當大的執行安全裕度。
其他安全優勢也源於堆芯持續線上的加油方式：在執行過程中，大約每分鐘從堆芯底部移除一個卵石，同時在頂部放置一個替換品。透過這種方式，所有卵石都像分配機中的口香糖一樣逐漸向下移動穿過堆芯，大約需要六個月的時間才能完成。此功能意味著該系統包含最佳的操作燃料量，幾乎沒有額外的裂變反應性。它消除了當前水冷反應堆中可能發生的整類過度反應性事故。此外，卵石在功率高低區域的穩定移動意味著每個卵石平均經歷的操作條件比固定的燃料配置要少，從而再次增加了裝置的安全裕度。使用後，廢棄的卵石必須放入長期儲存庫，就像今天處理用完的燃料棒一樣。
水冷反應堆即使是標準的水冷核反應堆技術，其未來也煥然一新。為了克服因冷卻劑損失而造成的事故（在三哩島發生）的可能性並簡化整個工廠，出現了一種新型的第四代系統，其中所有主要元件都包含在一個容器中。這個類別中的一個美國設計是西屋電氣開發的國際反應堆創新和安全（IRIS）概念。
將整個冷卻劑系統裝在耐損壞的壓力容器內意味著，即使其中一個大管道破裂，主系統也不會遭受重大的冷卻劑損失。由於壓力容器不允許流體逸出，因此任何由此產生的事故都僅限於比以前的設計中可能發生的壓力下降更為溫和的下降。
為了實現這種緊湊的配置，這些反應堆中採用了幾個重要的簡化措施。容器內的子系統堆疊在一起，以便在事故期間透過自然迴圈實現被動熱傳遞。此外，控制棒驅動器位於容器中，消除了它們可能從堆芯中彈出的可能性。這些單元也可以構建為小型發電模組，從而實現更靈活和更低成本的部署。
這些反應堆的設計人員還在探索在高溫度和壓力（高於374攝氏度和221個大氣壓）下執行工廠的潛力，這種情況被稱為水的臨界點，此時液體和蒸氣之間的區別變得模糊。超過其臨界點後，水錶現為具有特殊比熱（熱儲存能力）和卓越傳熱（熱導率）效能的連續流體。它也不會在加熱時沸騰，或者在快速減壓時閃蒸成蒸汽。在臨界點以上執行的主要優點是，系統的熱效率可以達到45％，並且接近氫燃料生產變得可行的升高溫度範圍。
儘管基於超臨界水的反應堆乍一看與標準的第二代設計非常相似，但差異之處很多。例如，前者的堆芯小得多，這有助於節約壓力容器和周圍的工廠。接下來，相關的蒸汽迴圈裝置大大簡化，因為它使用單相工作流體執行。此外，較小的堆芯和低冷卻劑密度減少了在發生事故時必須保持在安全殼內的水量。由於低密度冷卻劑不會減緩中子的能量，因此可以考慮具有相關可持續性優勢的快譜反應堆設計。超臨界水系統的主要缺點是冷卻劑的腐蝕性越來越強。這意味著必須開發用於控制腐蝕和侵蝕的新材料和方法。加拿大、法國、日本、韓國和美國正在進行超臨界水反應堆研究。
快譜反應堆一種針對較長期的設計方法是快譜（或高能中子）反應堆，它是另一種型別的第四代系統。法國、日本、俄羅斯、韓國和其他地方的設計團隊正在追求這種型別的反應堆。美國快堆開發計劃於1995年被取消，但在第四代計劃下，美國的興趣可能會復甦。
大多數核反應堆採用熱中子或相對低能量的中子發射譜。在熱反應堆中，裂變反應中產生的高速（高能量）中子在與水或其他輕核素中的氫碰撞時，速度會減慢至“熱”能級。雖然這些反應堆在發電方面經濟高效，但在生產核燃料（在增殖反應堆中）或回收核燃料方面效率不高。
迄今為止建造的大多數快譜反應堆都使用液態鈉作為冷卻劑。未來版本的此類反應堆可能會使用鈉、鉛、鉛鉍合金或惰性氣體（如氦氣或二氧化碳）。快堆中能量較高的中子可用於製造新燃料或摧毀熱堆產生的長壽命廢物以及拆除武器產生的鈽。透過回收快堆中的燃料，它們可以從鈾中產生更多的能量，同時減少必須長期處置的廢物量。這些增殖反應堆設計是提高未來核能系統可持續性的關鍵之一，特別是如果核能的使用量要大幅增長的話。
除了支援使用快中子譜之外，金屬冷卻劑還具有幾個吸引人的優點。首先，它們具有出色的傳熱效能，這使得金屬冷卻反應堆能夠承受像三里島和切爾諾貝利發生的事故。其次，一些（但不是全部）液態金屬對部件的腐蝕性遠低於水，從而延長了反應堆容器和其他關鍵子系統的使用壽命。第三，這些高溫系統可以在接近大氣壓力的條件下執行，大大簡化了系統設計並減少了工廠中潛在的工業危險。
全球已經運行了十幾個鈉冷反應堆。這些經驗引起了人們對必須克服的兩個主要困難的關注。鈉與水反應會產生高熱，這可能成為事故的根源。這一特性使得鈉冷反應堆的設計者必須包含一個輔助鈉系統，以隔離反應堆堆芯中的一次冷卻劑與發電蒸汽系統中的水。一些新的設計專注於新型換熱器技術，以防止洩漏。
第二個挑戰與經濟性有關。由於鈉冷反應堆需要在堆芯和渦輪機之間進行兩次傳熱步驟，因此資本成本增加，熱效率低於最先進的氣冷和水冷概念（先進鈉冷反應堆約為 38%，而超臨界水反應堆為 45%）。此外，液態金屬是不透明的，這使得部件的檢查和維護更加困難。
下一代快譜反應堆設計試圖利用早期配置的優勢，同時解決其缺點。技術已經發展到這樣的程度，即可以設想快譜反應堆，工程師們認為這種反應堆發生堆芯熔燬的可能性很小。此外，惰性氣體、鉛或鉛鉍合金等非反應性冷卻劑可能無需輔助冷卻系統，並提高該方法的經濟可行性。
核能在其發展中已到了一個關鍵階段。美國當前一代核電站的經濟成功基於改進的管理技術和謹慎的實踐，從而引發了人們對購買新電站的日益濃厚的興趣。新型反應堆設計可以從長遠來看顯著提高核能系統的安全性、可持續性和經濟性，從而為它們的廣泛部署開闢道路。
核能入門
世界上大多數核電站都是壓水反應堆。在這些系統中，高壓（155 個大氣壓）下的水可以抑制沸騰，既充當冷卻劑又充當工質。最初在美國根據美國海軍反應堆計劃中獲得的經驗開發，第一座商用壓水輕水反應堆於 1957 年開始執行。
壓水反應堆的反應堆堆芯由鋯合金包覆的燃料棒陣列組成，這些燃料棒由直徑與一角硬幣大小的低濃縮氧化鈾小圓柱體（顆粒）組成。一個典型的 17x17 正方形燃料棒陣列構成一個燃料元件，大約 200 個燃料元件排列在一起形成一個反應堆堆芯。堆芯通常直徑約 3.5 米，高 3.5 米，包含在 15 至 20 釐米厚的鋼壓力容器內。
核裂變反應產生熱量，由迴圈水帶走。冷卻劑以大約 290 攝氏度的溫度泵入堆芯，並以大約 325 攝氏度的溫度離開堆芯。為了控制功率水平，將控制棒插入燃料陣列。控制棒由透過吸收裂變過程中發射的慢（熱）中子來減緩裂變反應的材料製成。它們被抬出或降低到堆芯中以控制核反應的速率。為了更換燃料或在發生事故時，將控制棒完全降低到堆芯中以關閉反應。
在主反應堆冷卻劑迴路中，熱水離開反應堆堆芯，流經換熱器（稱為蒸汽發生器），在那裡將熱量傳遞給在較低壓力水平下執行的輔助蒸汽迴路。在換熱器中產生的蒸汽隨後透過蒸汽渦輪機膨脹，蒸汽渦輪機又旋轉發電機以產生電力（通常為 900 至 1,100 兆瓦）。然後將蒸汽冷凝並泵回換熱器以完成迴圈。除了熱源之外，核電站通常與燃煤或燃油發電設施相似。
輕水冷卻反應堆有幾種變體，最著名的是沸水反應堆，它在較低的壓力（通常為 70 個大氣壓）下執行，並在反應堆堆芯中直接產生蒸汽，從而無需中間換熱器。在少數核電站中，反應堆冷卻劑是重水（含有氫同位素氘）、二氧化碳氣體或液態金屬（如鈉）。
反應堆壓力容器通常安裝在充當輻射遮蔽的混凝土堡壘內。堡壘又封閉在鋼筋混凝土安全殼內。安全殼旨在防止事故中放射性氣體或液體的洩漏。
支援核能的理由
今天，438 座核電站發電量約佔世界總髮電量的 16%。在美國，103 座核電站提供該國約 20% 的電力生產。儘管美國在過去二十多年中沒有訂購新的核設施，但隨著該行業的成熟和效率的提高，美國發電機的發電量每年增長近 8%。僅在過去 10 年中，美國核電站就增加了 23,000 多兆瓦的電力——相當於 23 座大型發電廠——儘管沒有任何新的建設。與此同時，產量增加降低了核發電的單位成本。這種改進使得商界對延長電站運營許可證以及可能購買新的核設施的興趣日益濃厚。
令一些人驚訝的是，使用核能對環境（特別是空氣質量）有直接的好處。儘管關於二氧化碳和其他溫室氣體排放對地球氣候造成破壞的潛力仍然存在爭議，但毫無疑問的是，燃燒化石燃料造成的空氣汙染對健康造成的嚴重後果。與化石燃料發電廠不同，核電廠不產生二氧化碳、硫或氮氧化物。美國每年核電生產避免了 1.75 億多噸碳的排放，如果同樣數量的電力透過燃燒煤炭產生，這些碳就會被釋放到環境中。
很少有人關注核能生產氫氣的能力，氫氣可用於交通燃料電池和其他更清潔的發電廠。一種非常直接的方法是利用高溫核反應堆的能量來驅動甲烷的蒸汽重整反應。然而，該過程仍然會產生二氧化碳作為副產品。幾種直接熱化學反應可以使用水和高溫產生氫氣。日本和美國正在進行關於硫酸熱化學分解和其他制氫反應的研究。核能制氫的經濟性仍有待證明，但這種方法存在巨大的潛力，也許可以在新的電力-氫氣熱電聯產模式下執行。
提高經濟性 美國任何核能建設都必須解決有關其資本成本和融資的具有挑戰性的經濟問題。問題在於，以三個核管理委員會認證的先進輕水反應堆設計為代表的當前一代核電站的發電容量約為每千瓦電力 (kWe) 1,500 美元，這可能不足以重新啟動核能建設。新的（第三代和第四代）核電站專案的廣泛討論的成本目標是每千瓦電力 1,000 美元。實現這一目標將使其在單位成本方面與最經濟的選擇——聯合迴圈天然氣電廠競爭。任何下一代設施還必須在大約三年內完成，以使融資成本保持在可控水平。新的簡化但尚未嘗試的許可程式應該可以加快這一過程。
鑑於過去在美國核專案中的經驗，設計者和建造者將很難實現這些目標。為了實現成本目標，核工程師正在尋求透過提高工作溫度和簡化子系統和元件來獲得更高的熱效率。加快電站建設將需要電站設計的標準化、工廠製造和認證程式；將電站劃分為更小的模組，以避免現場建設的需要；以及使用計算機化的裝配管理技術。透過這種方式，可以在現場進行之前在虛擬現實中驗證構建工作。
提高安全性 隨著核電工業過去 20 年來經濟績效的提高，其安全績效也隨之提高。1979 年的三里島事故使電站所有者和運營者將注意力集中在提高安全裕度和效能的必要性上。例如，向核管理委員會報告的所謂具有重大安全意義的事件數量在 1990 年平均每個電站每年約為兩次，到 2000 年已降至十分之一以下。與此同時，根據最近的民意調查，自 1986 年切爾諾貝利事故以來，公眾對核電安全性的信心已基本恢復。
美國能源部要求國際和國內專家在過去一年中制定了下一代核設施的長期安全目標。他們確立了三個主要目標：提高電站的安全性和可靠性，減少事故發生時造成重大損害的可能性，以及最大限度地減少任何確實發生的事故的潛在後果。實現這些目標將需要採用固有安全特性的新電站設計，以防止事故發生，並防止事故惡化為可能將放射性釋放到環境中的更嚴重的情況。
核廢料處置和再利用 有關核廢料的處理和處置以及防止核擴散的突出問題也必須解決。內華達州的尤卡山長期地下儲存庫正在接受評估，以確定它是否可以成功接收商業乏燃料。然而，它已落後計劃十年，即使建成，也無法容納未來預計的廢物量。
目前“一次透過”或開放式核燃料迴圈使用新開採的鈾，在反應堆中燃燒一次，然後作為廢物排放。這種方法導致只有大約 1% 的鈾能量轉化為電能。它還會產生大量乏核燃料，必須以安全的方式處置。透過回收乏燃料——即從乏燃料中回收有用的材料，可以避免這兩個缺點。
大多數其他擁有大型核電計劃的國家——包括法國、日本和英國——都採用所謂的閉式核燃料迴圈。在這些國家，用過的燃料被回收以回收鈾和鈽（在反應堆輻照過程中產生），並將其再加工成新的燃料。這項工作使從燃料中回收的能量增加了一倍，並從必須永久儲存的廢物中去除大部分長壽命放射性元素。但應該指出的是，與新開採的燃料相比，回收燃料目前更昂貴。目前的回收技術還會導致鈽的分離，這可能會被轉移到武器中。
基本上所有的核燃料回收都是使用稱為 PUREX（鈽鈾萃取）的工藝進行的，該工藝最初是為提取用於核武器的純鈽而開發的。在 PUREX 回收中，用過的燃料元件被運輸到回收廠，裝在重型遮蔽、抗損壞的運輸容器中。燃料元件被切碎並用強酸溶解。然後，燃料溶液經過溶劑萃取程式，將裂變產物和其他元素與鈾和鈽分離，並進行提純。鈾和鈽被用來製造用於輕水反應堆的混合氧化物燃料。
回收有助於最大限度地減少核廢物的產生。為了減少對儲存空間的需求，可持續的核燃料迴圈將分離短壽命、高熱量的裂變產物，特別是銫 137 和鍶 90。這些元素將單獨儲存在對流冷卻設施中 300 到 500 年，直到它們衰變到安全水平。最佳化的閉式（快堆）燃料迴圈不僅會回收鈾和鈽，還會回收燃料中的所有錒系元素，包括錼、鋂和鋦。在一次透過的燃料迴圈中，超過 98% 的預期長期放射毒性是由由此產生的錼 237 和鈽 242 造成的（半衰期分別為 214 萬年和 38.7 萬年）。如果這些長壽命的錒系元素也從廢物中分離出來並回收，那麼控制儲存庫的長期影響就會變得更加簡單。從運往地質儲存庫的廢物中去除銫、鍶和錒系元素可以使其容量增加 50 倍。
由於人們對推進核燃料迴圈的可持續性和經濟性的持續興趣，一些國家正在開發更有效的回收技術。目前，在美國阿貢國家實驗室正在開發一種電冶金工藝，該工藝可以避免分離純鈽。法國、日本和其他地方正在研究具有類似優勢的先進水性回收程式。
確保不擴散 新核能系統的一個關鍵方面是確保它們不允許武器可用材料從後處理迴圈中轉移。當國家獲得核武器時，他們通常會開發專門的設施來生產裂變材料，而不是從民用發電廠收集核材料。商業核燃料迴圈通常是生產武器級材料成本最高且難度最大的途徑。新的燃料迴圈必須繼續設計以防止擴散。 ——J.A.L.、R.G.B. 和 J.F.K. 核電站對恐怖分子有多安全？
2001 年 9 月 11 日的悲慘事件引發了人們對核設施容易遭受恐怖襲擊的擔憂。儘管已經實施了嚴格的民用和軍事安全對策來阻止堅決的襲擊，但大型商用客機故意墜毀的事件依然縈繞在人們的想象中。那麼，美國人應該擔心嗎？答案是有，也有不是。
核電站不是高速飛行的客機的容易攻擊目標，因為對圓頂圓柱形安全殼的偏離中心撞擊不會對建築結構產生實質性影響。反應堆堆芯位於地面或地下，直徑通常小於 10 英尺，高度為 12 英尺。它被封閉在由混凝土城堡包圍的重型鋼容器中。反應堆安全殼的設計細節各不相同，但在所有情況下，它們都旨在承受最惡劣的自然力（包括地震、龍捲風和颶風）。儘管並非旨在抵抗戰爭行為，但安全殼可以承受小型飛機的墜毀。
即使反應堆堆芯受到保護，一些管道和反應堆冷卻裝置、輔助裝置和相鄰的開關站也可能容易受到直接撞擊。然而，核電站配備了多個應急冷卻系統以及應急電源，以防止電源被停用。在所有這些備用預防措施都不可能被摧毀的情況下，反應堆堆芯可能會過熱並融化。但即使在這種情況極端的情況下，類似於三里島發生的情況，放射性堆芯材料仍將包含在壓力容器內。
如果說核電站有致命弱點，那就是乏核燃料的現場臨時儲存設施。儘管這些儲藏庫通常包含多個用過的燃料元件，因此比反應堆的總放射性更高，但舊燃料中大多數更危險的放射性同位素已經衰變消失。對於可能進入空氣中的氣態裂變產物尤其如此，其半衰期可以用月來衡量。相對最近從反應堆中取出的乏燃料元件儲存在深水池中，以冷卻它們並遮蔽它們發出的輻射。這些露天水池周圍環繞著厚壁、鋼襯裡的混凝土容器。幾年後，這些材料被轉移到混凝土、風冷乾燥燃料儲存桶中。
儘管冷卻池為恐怖分子提供了一個相對較小且因此難以攻擊的目標，但精確的攻擊可能會耗盡水池中的水，導致燃料過熱和熔化。專家表示，一根標準消防水管就足以重新注滿水池。專家表示，即使燃料熔化，也不會產生可能進入空氣的少量放射性微粒。專家表示，飛機墜毀到乾燥的燃料儲存桶中可能只會將其撞到一邊。根據核安全專家的說法，如果任何桶破裂，氧化燃料包殼的碎片可能會將一些放射性物質帶到空中。
一些專家認為，核管理委員會很快將命令加強核電站輔助裝置和廢物儲存設施。
如果發生此類恐怖襲擊，已經制定了疏散附近居民的計劃，儘管必須說批評者認為這些計劃是不切實際的。然而，人們認為大約有 8 到 10 個小時的時間可以安全撤離，遠遠早於疏散人員接受到明顯的放射性劑量。最嚴重的潛在不利影響可能是空氣中的微粒對當地的長期汙染，清理起來會很昂貴。 ——編輯