核電供應了世界六分之一的電力。與水電（供應略多於六分之一）一起，它是當今主要的“無碳”能源來源。這項技術經歷了成長的陣痛，切爾諾貝利和三哩島事故在公眾心中留下了深刻的烙印，但最近的電廠已經證明了非凡的可靠性和效率。世界鈾的充足供應可以為比今天存在的反應堆規模大得多的核反應堆群提供燃料，貫穿其 40 至 50 年的壽命。
隨著對全球變暖的擔憂日益加劇，以及溫室氣體排放很可能以某種方式受到監管，美國和其他地方的政府和電力供應商越來越多地考慮建造大量額外的核電站，這並不令人驚訝。化石燃料替代品各有缺點。天然氣在一個碳受限的世界中很有吸引力，因為它相對於其他化石燃料具有較低的碳含量，並且先進的發電廠具有較低的資本成本。但是，所產生電力的成本對天然氣價格非常敏感，近年來天然氣價格已變得更高且更不穩定。相比之下，煤炭價格相對較低且穩定，但煤炭是碳排放強度最高的電力來源。如果要大幅擴大燃煤發電，而不向大氣中排放不可接受的碳量，則必須對二氧化碳的捕獲和封存進行論證並大規模引入，這將大大增加成本。這些擔憂使人們對天然氣或燃煤電廠的新投資產生疑問。
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長期臨時儲存廢物應成為處置策略的組成部分。
所有這些都指向了核能復興的可能性。事實上，自 2000 年以來，全球已有超過 20,000 兆瓦的核電容量上線，主要在遠東地區。然而，儘管主要核運營商表現出明顯的興趣，但美國尚未下達任何確定的訂單。新建核電站的主要障礙是高昂的資本成本和核廢料管理的不確定性。此外，全球核電的擴張引發了人們的擔憂，即某些國家的核武器野心可能會在無意中得到推進。
2003 年，我們共同主持了麻省理工學院的一項重要研究《核電的未來》，該研究分析了保留核能選項所需條件。該研究描述了一個情景，即到 2050 年，全球核能發電量可能增加兩倍，達到一百萬兆瓦，從而使全球每年減少 8 億至 18 億噸碳排放，具體取決於取代的是燃氣發電廠還是燃煤發電廠。按照這個規模，核電將顯著有助於穩定溫室氣體排放，到 2050 年，這需要每年減少約 70 億噸碳排放[參見 Robert H. Socolow 和 Stephen W. Pacala 的“控制碳排放的計劃”]。
燃料迴圈
如果要如此大規模地擴大核電，應該建造什麼樣的核電站？一個主要的考慮因素是燃料迴圈，它可以是開放式或封閉式。在開放式燃料迴圈（也稱為一次透過迴圈）中，鈾在反應堆中“燃燒”一次，乏燃料儲存在地質處置庫中。乏燃料包括鈽，可以化學提取並轉化為燃料，用於另一個核電站。這樣做會形成一個封閉的燃料迴圈，有些人提倡這種迴圈[參見 William H. Hannum、Gerald E. Marsh 和 George S. Stanford 的“更智慧地利用核廢料”；《大眾科學》，2005 年 12 月]。
一些國家，尤其是法國，目前使用封閉式燃料迴圈，其中鈽與乏燃料分離，隨後再次燃燒鈽和鈾氧化物的混合物。一個更長期的選擇可能是回收所有超鈾元素（鈽是超鈾元素的一個例子），可能在所謂的快堆中。在這種方法中，幾乎所有壽命非常長的廢物成分都被消除，從而改變了核廢料辯論。然而，需要大量的研發工作來克服使該方案奏效的艱鉅技術和經濟挑戰。
自 2000 年以來，全球已有超過 20,000 兆瓦的核電容量上線。
在封閉迴圈中回收廢物以供再利用似乎是不費吹灰之力的：相同的總功率輸出使用的原材料更少，並且長期儲存廢物的問題得到緩解，因為必須儲存數千年的放射性物質的量更少。然而，我們認為，在未來幾十年內，開放迴圈比封閉迴圈更可取。首先，回收燃料比原始鈾更昂貴。其次，似乎有充足的、成本合理的鈾來維持我們設想的全球核能發電量增加三倍，並且整個核電站壽命週期（每個電站約 40 至 50 年）都採用一次透過燃料迴圈。第三，長期廢物儲存的環境效益被近期複雜且高度危險的後處理和燃料製造操作對環境造成的風險所抵消。最後，封閉燃料迴圈中發生的後處理會產生鈽，鈽可能會被轉移用於核武器。
至少在未來二十年，甚至更長時間內將繼續佔據主導地位的反應堆型別是輕水反應堆，它使用普通水（而不是含氘的重水）作為冷卻劑和慢化劑。當今世界執行的大多數電廠都屬於這種型別，使其成為一種成熟、易於理解的技術。
反應堆設計分為幾代。最早的原型反應堆建於 20 世紀 50 年代和 60 年代初，通常是獨一無二的。相比之下，第二代反應堆是從 20 世紀 60 年代末到 90 年代初大量建造的商業設計。第三代反應堆融入了設計改進，例如更好的燃料技術和被動安全，這意味著在發生事故時，反應堆會自動關閉，而無需操作員干預。第一座第三代反應堆於 1996 年在日本建成。第四代反應堆是目前正在研究的新設計，例如球床反應堆和鉛冷快堆[參見 James A. Lake、Ralph G. Bennett 和 John F. Kotek 的“下一代核電”；《大眾科學》，2002 年 1 月]。此外，第三代+反應堆是類似於第三代但高階功能進一步發展的設計。除了高溫氣冷堆（球床反應堆是其中一個例子）之外，第四代反應堆在成為重要的商業部署候選者之前還需要幾十年時間。為了評估我們到 2050 年的情景，我們設想建造第三代+輕水反應堆。
球床模組化反應堆引入了模組化核電站的有趣前景。可以建造每個模組產生約 100 兆瓦的模組，而不是建造大型 1,000 兆瓦的電站。這種方法可能特別有吸引力，無論是在發展中國家還是在放松管制的工業國家，因為所涉及的資本成本要低得多。傳統的大型電站確實具有規模經濟的優勢，最有可能導致每千瓦容量的成本更低，但如果能夠實現大規模模組的高效工廠式生產，這種優勢可能會受到挑戰。南非計劃於 2007 年開始建造一座 110 兆瓦的示範球床電站，計劃於 2011 年完工，商業模組計劃於 2013 年投產，功率約為 165 兆瓦。希望將模組銷往國際市場，尤其是在整個非洲。
降低成本
根據以往的經驗，新核電站的電力目前比新的燃煤或燃氣電站的電力更昂貴。2003 年麻省理工學院的研究估計，新的輕水反應堆每千瓦時產生的電力成本為 6.7 美分。該數字包括電廠的所有成本，分攤在其壽命週期內，幷包括投資者可接受的回報等專案。相比之下，在同等假設下，我們估計新的燃煤電廠每千瓦時產生的電力成本為 4.2 美分。對於新的燃氣電廠，成本對天然氣價格非常敏感，按照今天的高天然氣價格（約 7 美元/百萬英熱單位），成本約為每千瓦時 5.8 美分。
有些人會對核電成本的估計準確性持懷疑態度，考慮到過去過於樂觀的情況，可以追溯到早期聲稱核電會“便宜到無法計量”。但麻省理工學院的分析基於過去的經驗和現有電廠的實際效能，而不是核工業的承諾。有些人可能還會質疑此類成本預測中固有的不確定性。重要的一點是，這些估計將核能、煤炭和天然氣這三種替代方案置於公平的競爭環境中，並且沒有理由期望意外的意外事件會偏向其中一種。此外，當公用事業公司決定建造哪種型別的電廠時，他們將根據此類估計做出決定。
有幾個步驟可以降低核能選項的成本，使其低於我們 6.7 美分/千瓦時的基線數字。將建設費用降低 25% 將使電力成本降至 5.5 美分/千瓦時。將電廠的建設時間從五年縮短到四年，並改進運營和維護，可以進一步減少 0.4 美分/千瓦時。任何電廠的融資方式都可能在很大程度上取決於管理電廠選址的法規。將核電站的資本成本降低到與燃氣或燃煤電站相同的水平，將縮小與煤炭的差距（4.2 美分/千瓦時）。所有這些降低核電成本的方法都是可行的——特別是如果該行業只建造少量標準化設計的大量電站——但尚未得到證實。
如果對碳排放進行定價，核電在經濟上將明顯受到青睞。我們將此稱為碳稅，但定價機制不必採用稅收的形式。歐洲有一個系統，其中碳排放許可證在公開市場上交易。2006 年初，許可證的售價超過每噸排放碳 100 美元（或每噸二氧化碳 27 美元），儘管最近其價格已跌至大約一半。（公制單位，一噸等於 1.1 美噸。）僅每噸碳 50 美元的稅收就將燃煤發電的成本提高到每千瓦時 5.4 美分。在每噸碳 200 美元的價格下，煤炭的成本高達每千瓦時 9.0 美分。在 200 美元的稅收下，天然氣的表現遠好於煤炭，增加到每千瓦時 7.9 美分。化石燃料電廠可以透過捕獲和封存碳來避免假定的碳稅，但這樣做的成本與稅收的作用相同[參見 Robert H. Socolow 的“我們可以埋葬全球變暖嗎？”；《大眾科學》，2005 年 7 月]。
由於美國多年來沒有開始建設核電站，因此建造前幾座新電站的公司將面臨後續運營商不必承擔的額外費用，以及在完成新的許可流程時承擔的額外風險。《2005 年能源政策法案》納入了許多重要條款，以幫助克服這一障礙，例如對新核電站在其運營的前八年提供每千瓦時 1.8 美分的稅收抵免。這項有時被稱為先行者激勵的抵免適用於首批上線的 6,000 兆瓦新電站。一些財團已經成立，以利用新的激勵措施。
廢物管理
核能復興面臨的第二個大障礙是廢物管理問題。世界上還沒有哪個國家實施永久處置核電站產生的乏燃料和其他放射性廢物的系統。最廣泛接受的方法是地質處置，即將廢物儲存在地下數百米的腔室中。目標是透過工程屏障（例如，廢物容器）和地質屏障（腔室已挖掘的天然岩石結構以及水文地質盆地的有利特徵）的結合，防止廢物在數千年內洩漏。數十年的研究支援地質處置方案。科學家們對可能將放射性核素從處置庫輸送到生物圈的過程和事件有很好的瞭解。儘管有這種科學上的信心，但批准地質場址的過程仍然充滿困難。
內華達州擬議中的尤卡山設施就是一個典型的例子，該設施已經考慮了二十年。最近，人們發現該場址的水量比預期的要多得多。美國核管理委員會 (NRC) 是否會批准該場址的許可證仍不確定。
解決廢物管理問題的延誤（即使獲得批准，尤卡山也不太可能在 2015 年之前接收廢物）可能會使建造新電廠的努力複雜化。根據法律規定，政府應在 1998 年之前開始將乏燃料從反應堆場址轉移到處置庫。未能這樣做導致許多場址需要增加當地儲存，並引發了鄰居、城鎮和州的不滿。
芬蘭可能是第一個為其高放射性核廢料建造永久儲存場址的國家。在奧爾基洛託，兩座核反應堆的所在地，一個名為 Onkalo 的地下研究設施已經開始挖掘。Onkalo 專案延伸到地下約半公里，將涉及岩石結構和地下水流的研究，並將在實際的地下深處條件下測試處置技術。如果一切按計劃進行，並且獲得必要的政府許可，第一批廢物罐可能會在 2020 年裝入。到 2130 年，處置庫將完工，進出通道將被填滿並密封。自 20 世紀 70 年代末以來，支付該設施的資金已從芬蘭核電的價格中徵收。
為了解決美國的廢物管理問題，政府應取得全國商業反應堆場址儲存的乏燃料的所有權，並在永久處置設施建成之前將其合併到一個或多個聯邦臨時儲存場址。廢物可以安全可靠地臨時儲存很長一段時間。這種長期臨時儲存，甚至長達 100 年，應成為處置策略的組成部分。除其他好處外，它還可以減輕政府和行業提出倉促處置解決方案的壓力。
與此同時，能源部不應放棄尤卡山。相反，它應該重新評估該場址在各種條件下的適用性，並根據需要修改專案的進度表。如果全球核電規模擴大到一百萬兆瓦，開放燃料迴圈中產生的高放射性廢物和乏燃料將足以每三年半填滿一個尤卡山大小的設施。在公眾輿論中，這一事實是對核電擴張的重大抑制因素，但這又是一個可以而且必須解決的問題。
核擴散的威脅
除了剛才概述的國內廢物管理計劃外，總統還應繼續外交努力，建立一個國際燃料供應國和使用者國體系。美國、俄羅斯、法國和英國等供應國將向核計劃規模較小的使用者國出售新鮮燃料，並承諾從這些國家運走乏燃料。作為回報，使用者國將放棄建造燃料生產設施。這種安排將大大減輕核武器擴散的危險，因為擴散的主要風險不是核電站本身，而是燃料濃縮和後處理廠。伊朗鈾濃縮計劃的現狀就是一個典型的例子。在核電規模將擴大三倍的世界中，燃料租賃給使用者的方案是必要的，因為這種擴張將不可避免地涉及核電站蔓延到一些令人擔憂的擴散國家。
使該方法奏效的關鍵在於，對於小型核電計劃而言，生產燃料在經濟上沒有意義。這一事實是世界已經分為供應國和使用者國的市場現實的基礎。建立供應國/使用者模式在很大程度上是一個形式化當前局勢的問題，儘管並非易事，而是透過加強商業現實的新協議來更永久地形式化當前局勢。
儘管擬議的制度對使用者國具有內在吸引力——它們可以獲得有保證的廉價燃料供應，並擺脫處理廢物材料的問題——但也應實施其他激勵措施，因為使用者國將同意超越《不擴散核武器條約》的要求。例如，如果建立全球可交易碳信用額度系統，則遵守燃料租賃規則的使用者國可以為其新的核電站獲得信用額度。
伊朗是當今最明顯的例子，全球社會寧願看到它成為“使用者國”而不是濃縮鈾生產國。但這並非唯一棘手的情況。另一個必須迅速解決其計劃的國家是巴西，該國正在建設一座濃縮設施，據稱是為了向該國的兩座核反應堆提供燃料。如果要在全球範圍內擴大核電規模而不加劇擴散擔憂，就需要對伊朗和巴西等國家採取一致的方法。
太瓦未來
太瓦——一百萬兆瓦——的“無碳”電力是到本世紀中葉顯著減少預計二氧化碳排放量所需的規模。用 Socolow 和 Pacala 的術語來說，這種貢獻將相當於七個必需的“穩定楔子”中的一到兩個。到 2050 年實現太瓦級核電無疑具有挑戰性，需要每月部署約 2,000 兆瓦。需要在幾十年內進行 2 萬億美元的資本投資，並且必須在未來十年左右積極解決電廠成本降低、核廢料管理和防擴散國際燃料迴圈制度等問題。一個關鍵的決定因素將是工業世界和中國、印度和巴西等大型新興經濟體對化石燃料使用產生的二氧化碳排放進行定價的程度。
核電的經濟性並不是決定其未來使用的唯一因素。公眾接受度還取決於安全和核廢料問題，核電在美國和歐洲大部分地區的未來仍然存在疑問。關於安全，至關重要的是必須認真執行 NRC 法規，但情況並非總是如此。
在作為麻省理工學院研究一部分制定的情景中，結果表明，如果要在全球範圍內實現太瓦級核電，美國將大約增加三倍的核電部署——達到約 300,000 兆瓦。這種情景的可信度將在未來十年內在很大程度上取決於《2005 年能源政策法案》中先行者激勵措施的實施程度、政府開始從反應堆場址轉移乏燃料的能力，以及美國政治程序是否會產生一項將顯著限制二氧化碳排放的氣候變化政策。