[这是关于核能的未来的深入报告的第一部分。]
在萨斯喀彻温省萨斯卡通以北近 400 英里（645 公里）处，坐落着麦克阿瑟河铀矿。* 该矿由世界最大的铀生产商 Cameco Corp. 所有并运营，2007 年开采了约 1870 万磅（850 万公斤）核元素。根据世界核协会 (WNA) 的数据，该年度的产量足以满足美国 104 座核反应堆大约四分之一的年度燃料需求。
加拿大、澳大利亚和哈萨克斯坦的此类铀矿床构成了世界已知供应的大部分——尽管铀是一种普遍存在的原子，甚至可以从海水中提取。全球有436 座反应堆每年消耗 65,000 公吨（1 公吨等于 1.1 美吨）的浓缩铀，对这种核反应堆燃料的需求超过了可用供应，这导致铀价格从几年前的每磅 10 美元低点跃升至 2007 年的每磅 130 美元以上，而如今仍然超过每磅 50 美元。
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核能正处于美国的复兴之中——2007 年 9 月提交了 30 多年来第一个新反应堆的申请——并且全球正在进行新反应堆的建设热潮。这种复兴需要充分利用现有和尚未发现的、为这些发电厂提供燃料的铀矿。美国近 20 年来第一个新铀矿的申请——通过化学浸出法从周围岩石中提取铀并将其泵送到怀俄明州的摩尔牧场地面——于 2007 年 10 月由 Energy Metals Corp. 提交，随后又提交了 19 个申请。
但是，为现有和新反应堆找到足够的燃料可能具有挑战性，防止困扰铀矿开采的健康和环境影响也是如此。
大型挖掘
麦克阿瑟河矿的铀矿床既深又集中。十七英尺高、十一吨重的天井钻机以高达 750,000 磅（340,194 公斤）的力刺入岩石，然后用 10 英尺（3 米）宽的扩孔头啃食矿石，每转动 1 英尺（30.5 厘米）施加高达 115,000 磅（52,163 公斤）的力。它们在地面以下 1,700 英尺（520 米）以下工作，将矿石撞入地下近 2,100 英尺（640 米）的隧道中的遥控装载机中。
事实上，大多数采矿都是通过遥控完成的，因为麦克阿瑟河矿床非常丰富：根据 Cameco 的数据，超过 20% 是三氧化二铀 (U3O8)，这是自然界中最常见的铀形式。与人类矿工相比，这些机器能更好地处理衰变元素的辐射，并且能耐受矿石释放的氡气；早在 20 世纪 70 年代和 80 年代，美国纳瓦霍铀矿工——及其接触残留放射性粉尘和碎片以及受污染水的家人——患上了肺癌和其他疾病。
但这并没有将人类完全排除在麦克阿瑟河的景象之外；人类矿工密切关注着无线电控制的装载机（称为铲运机），并直接操作许多其他采矿机械。在紧急情况下，矿工至关重要：2003 年发生的塌方和洪水需要人类进行维修，而任务的紧迫性——整个矿山可能被摧毁——导致他们放弃了通常的安全设备。
但在更典型的一天，遥控装载机将矿石倾倒到地下磨坊中，在那里将岩石块磨成细粉，与水混合并作为泥浆泵送到地面。柴油卡车将泥浆容器运送 50 英里（80 公里）到基湖的较大磨坊，在那里与低品位矿石混合。然后将所得混合物化学转化为“黄饼”——一种棕色或黑色粉状浓缩铀氧化物。
无论铀是从澳大利亚的 Ranger 矿等露天矿坑中开采出来，还是像麦克阿瑟河一样从地下深处开采出来，还是像怀俄明州的史密斯牧场-高地矿（美国最大的矿山）一样从岩石中化学浸出，黄饼都是最终产品，以及大量的放射性尾矿，通常还有受污染的水。从麦克阿瑟河开采的每公吨铀矿石，都会产生大约一公吨的废石，这些废石通常具有放射性，并且富含有毒重金属——而其他矿山每吨矿石产生的废石甚至更多。
据报告，从麦克阿瑟河磨碎的那公吨矿石大约含有 20% 的铀，那么最多将产生 440 磅（200 公斤）的黄饼和 1,765 磅（800 公斤）的有毒放射性尾矿。对于铀浓度更低的矿石——麦克阿瑟河是浓度最高的活性矿山——镭和其他放射性元素（以及砷和汞等有毒重金属）中的废物比例甚至更高——而麦克阿瑟河的铀浓度远低于附近兔湖或刚果民主共和国加丹加省的欣科洛布韦等过去的矿山。
然而，铀仍然不能在核反应堆中使用。
浓缩
虽然黄饼在加工后含有 80% 以上的铀，但其中大部分铀是无法使用的。在每 1,000 个天然铀原子中，只有 7 个原子在受到中子轰击时可以很容易地分裂：它们是易裂变同位素 U235。其余的大部分是相对稳定的 U238（以及少量的 U234）。
世界各地的反应堆要求其燃料的 U235含量在 3% 到 5% 之间，即每 1,000 个铀原子中含有 30 到 50 个易裂变同位素原子。因此，在天然铀可以作为核电站燃料发挥作用之前，必须提高这种同位素的浓度。在美国，目前只有一家工厂能够如此浓缩天然铀——位于肯塔基州的帕迪尤卡气体扩散厂，建于 1952 年。
该工厂占地 74 英亩，并且大部分时间至少消耗 300 兆瓦的电力，峰值高达 2,000 兆瓦（其中大部分来自附近燃煤电厂），以加热六氟化铀直到其气化，然后将其强制通过 1,760 个多孔膜，逐渐浓缩裂变同位素的含量——这是二战期间发明的方法。“气体扩散是一个电力密集型过程，”位于马里兰州贝塞斯达的 USEC, Inc. 的发言人杰里米·德里伯里说，该公司从能源部 (DoE) 租赁并运营帕迪尤卡。“但我们不讨论我们用于浓缩的电力是多少。”
根据美国核管理委员会 (NRC) 发言人戴维·麦金太尔的说法，一公吨黄饼变成大约 255 磅（115 公斤）的六氟化铀，其中含有高达 5% 的 U235，适合用作燃料；剩余的 2,500 磅（1,135 公斤）贫铀是废物。NRC 是负责监督核电行业的联邦机构。“这些数字可能会因浓缩的目标含量而异，”他补充道。
USEC 更愿意根据“分离功单位”来衡量这种效率，即浓缩铀所需的能量。“我们以 500 万 SWU 的速度运行，”德里伯里说，这足以将超过 1800 万磅（820 万公斤）的天然铀转化为超过 180 万磅（816,465 公斤）的浓缩铀，其中含有 4.5% 的 U235。
这也足以满足美国 104 座反应堆近一半的燃料需求，一旦全国各地的各种工厂将这些铀制成直径为二分之一英寸（1.27 厘米）的黑色颗粒，然后用锆包层包裹颗粒，将其制成棒状。其余燃料来自政府储备和拆除的俄罗斯核弹头。
百万吨到兆瓦
美国核电站提供的电力中，大约一半（近 20%）来自旧的俄罗斯弹头。在帕迪尤卡负责浓缩天然铀的同一家公司也在稀释俄罗斯 14,000 多枚核弹头中包含的高浓缩铀或 HEU（90% 的 U235）。到目前为止，已将 350 公吨的俄罗斯 HEU 转化为 10,160 公吨的稀释物质，适合用于核反应堆。（美国政府方面，根据负责监督国家核武器的能源部 (DoE) 部门国家核安全管理局的说法，美国政府已将其不再需要的大约 100 公吨 HEU 降级。）
德里伯里表示，该公司计划在 2013 年完成这项工作，根据科罗拉多州基石中心在 2007 年发布的一份分析报告，这与当前长期铀采购协议到期的时间大致相同，该中心汇集了一个由公用事业高管、环保主义者和其他专家组成的小组，以研究核电的未来作用，特别是在逆转气候变化方面可能发挥的作用。美国核管理委员会的麦金太尔推测说：“武器降级正在逐渐减少，而且供应不是无限的，这是铀市场繁荣的部分原因。”
一些专家认为，更令人担忧的是高浓度铀矿床的快速减少。“高品位矿将在十年内耗尽，”荷兰 Ceedata 咨询公司的能源和技术分析师 Jan Willem Storm van Leeuwen 说，该公司为欧洲各国政府等提供核问题咨询。他预测（在他 2005 年为英国议会准备的报告中），按照目前的消费率，行业平均矿石品位将在未来十年内降至 0.1% 以下——即每 1,000 公吨非铀物质中含有一公吨铀。
“核电站的能源投资回报时间目前约为 11 年，而天然气则为半年，”Storm van Leeuwen 认为，这包括核电站在其使用寿命结束时的退役全部成本。“据估计，在英国拆除一座反应堆的成本现在约为每座 1 吉瓦电力的反应堆 70 亿欧元（99 亿美元）。这甚至在第一颗螺栓被松开之前。”
Storm van Leeuwen 发现，到 2070 年，开采、研磨、浓缩和制造一公吨铀燃料所消耗的能量可能大于 160 太焦耳——这是从其产生的能量。
其他研究对制造铀燃料所需的能量给出了不同的估计，正如世界核协会（WNA）指出的那样，一吨天然铀产生的能量几乎是等量煤炭的 20,000 倍——煤炭是目前最便宜的发电形式。换句话说，一吨铀可以产生超过 19,000 吨煤炭燃烧产生的电量。
国际原子能机构（IAEA）在 2005 年估计，全球已知的铀储量为 470 万吨（回收成本各不相同），另外还有 1000 万吨尚未被发现——充足的同位素可以满足全球 436 座核反应堆每年所需的 65,000 吨燃料。
此外，如果铀的价格足够高，那么从磷酸盐（估计可以额外产出 2200 万吨）或海水中（据认为有高达 40 亿吨的储量）分离铀可能在经济上可行（即使能源效率不高）。
复兴的需求
寻找更多铀的工作已经开始认真进行，但自 1988 年以来，没有发现任何接近麦克阿瑟河矿藏浓度的铀矿。“我们肯定在考虑扩大萨斯喀彻温省北部阿萨巴斯卡盆地的现有业务，”卡梅科发言人莱尔·克拉恩说。“我们的核心勘探活动主要集中在加拿大和澳大利亚，但我们也参与了世界许多地方，如哈萨克斯坦和美国。”
由于世界上许多地方暂停新建核电站以及核武器燃料的涌入，这种勘探在 20 世纪 80 年代和 90 年代陷入停滞。“我预计到 2010 年会出现一些重大的新发现，”多伦多铀矿勘探公司 UNOR, Inc. 的总裁兼首席执行官乔治·贝尔说。“这些铀矿将在 2017 年开始运输，那时正是你需要的，因为那时计划中的新一波反应堆将开始启动。”
美国核管理委员会（NRC）负责监管铀的浸取采矿，预计在美国将有 11 个新的浸取矿申请，除了已提交的 Moore Ranch 项目，以及八个运营点的扩建。此外，可能会建造多达七个新的矿石加工厂，麦金太尔说。英国浓缩铀制造商 Urenco, Ltd. 正在新墨西哥州尤尼斯附近建设一座更高效的离心浓缩厂，计划今年开始生产燃料，而总部位于法国的阿海珐公司于去年 12 月向 NRC 提交了在爱达荷州建造另一座浓缩厂的许可证申请。
USEC 公司也于 5 月在俄亥俄州皮克顿旧的气体扩散浓缩厂所在地开始建设新的离心浓缩厂。“我们可能会在 2010 年拥有第一批生产机器，”德里伯里说。“美国离心机[技术]比同等的气体扩散工厂的耗电量减少 95%。”
此外，核工程师们还发现了在裂变铀燃料不可避免地耗尽之前，从其中提取更多热量的方法。麻省理工学院的帕维尔·海兹拉尔发明了一种环形燃料配置，通过使其更高效地在更低的温度下运行，将工厂的功率输出提高 50%。
美国政府也有兴趣按照全球核能伙伴关系（一个由 21 个外国和国内核技术公司组成的联盟，旨在促进核能发展）的条款，像法国、日本、俄罗斯和英国那样回收乏核燃料。根据能源部的说法，按照提议，乏燃料将在新工厂“后处理”，以去除钚，并使裂变材料可以作为反应堆燃料使用，尽管批评者认为这既昂贵又危险。
一些科学家认为，钍是一种更丰富的元素，可以用中子轰击以产生裂变燃料同位素铀233，可能成为未来的核燃料。
与此同时，对铀——核反应堆的燃料——的搜寻仍在继续，尽管速度缓慢。“我们已经找到了更容易找到的矿藏，即那些离地表更近的，”卡梅科的克拉恩说。“是否有更多潜力？在找到之前，你不知道那里有什么。找到并建造一个铀矿需要很长时间，就像建造一个反应堆需要很长时间一样。这是一个长期的业务。”
*注（08 年 1 月 27 日）：由于错误，这句话在发表后进行了修改。