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编者按：本文最初发表于2003年1月刊的《大众科学》。
电价上涨和去年夏天加利福尼亚州的轮流停电，使人们重新关注核能在维持美国电力供应方面的关键作用。如今，103座核电站生产了全国总发电量的五分之一。尽管公众对三哩岛和切尔诺贝利仍存有顾虑，但该行业已经吸取了教训，并在过去十年中建立了可靠的安全记录。与此同时，核电站的效率和可靠性已攀升至创纪录的水平。现在，随着关于减少温室气体以避免全球变暖潜在发生的持续辩论，越来越多的人认识到核反应堆发电不会向空气中排放二氧化碳或诸如氮氧化物和造成烟雾的硫化物等污染物。预计到2030年，世界能源需求将增长约50％，到2050年将增长近一倍。显然，现在似乎是重新考虑核电未来的时候了。
自1978年以来，美国没有订购新的核电站，自1995年以来也没有完工的核电站。恢复大规模核电站建设需要解决有关实现经济可行性、提高运行安全性、有效废物管理和资源利用以及武器不扩散的具有挑战性的问题，所有这些都受到所选核反应堆系统设计的影响。
新型核系统的设计者正在采用新颖的方法，试图取得成功。首先，他们正在拥抱核燃料循环的系统视角，该视角包括从矿石开采到废物管理以及支持这些步骤的基础设施开发的所有步骤。其次，他们正在根据其可持续性来评估系统——在不损害后代繁荣能力的情况下满足当前的需求。这是一种有助于阐明能源供应与环境和社会需求之间关系的策略。对可持续性的这种强调可以导致开发除电力以外的核能衍生产品，例如用于运输的氢燃料。它还促进了对替代反应堆设计和核燃料再循环工艺的探索，这些工艺可以在减少废物的同时回收铀中包含的更多能量。
我们认为，大规模部署核电技术比其他能源具有显着的优势，但在如何使其适应未来方面面临重大挑战。
未来核系统为了应对在实现可持续性、足够高的安全性和核电的竞争性经济基础方面遇到的困难，美国能源部于1999年启动了第四代计划。第四代是指将核设计大致分为四类：早期原型反应堆（第一代）、当今的大型中心站核电站（第二代）、近年来设计的具有固有安全性的先进轻水反应堆和其他系统（第三代）以及未来二十年内设计和建造的下一代系统（第四代）[参见对页的方框]。到2000年，国际社会对第四代项目的兴趣促成了一个由9个国家组成的联盟，包括阿根廷、巴西、加拿大、法国、日本、南非、韩国、英国和美国。参与国正在规划和合作进行未来核能系统的研发。
尽管第四代计划正在探索各种新系统，但一些示例可以说明反应堆设计人员为实现其目标而开发的广泛方法。这些下一代系统基于三类通用反应堆：气冷、水冷和快谱。
气冷反应堆使用气体（通常是氦气或二氧化碳）作为堆芯冷却剂的核反应堆已经成功建造和运行，但迄今为止仅获得有限的使用。一种特别令人兴奋的前景，被称为卵石床模块化反应堆，具有许多设计特性，这些特性在很大程度上满足了第四代的目标。中国、南非和美国的工程团队正在追求这种气冷系统。南非计划建造一个全尺寸原型，并于2006年开始运行。
卵石床反应堆设计基于一种基本燃料元件，称为卵石，它是一个台球大小的石墨球体，包含大约15,000个罂粟籽直径的氧化铀颗粒。均匀分散的颗粒每个都有几个高密度涂层。其中一层由坚韧的碳化硅陶瓷组成，在反应堆运行或意外温度升高期间，它充当压力容器以保留核裂变产物。大约330,000个这种球形燃料卵石被放置在被石墨块屏蔽包围的金属容器中。此外，多达100,000个无燃料的石墨卵石被加载到堆芯中，通过间隔开热燃料卵石来塑造其功率和温度分布。
耐热耐火材料被用于整个堆芯，以使卵石床系统在比当今轻水冷（第二代）设计中通常产生的300摄氏度更高的温度下运行。从堆芯以900摄氏度排出的氦气工作流体直接送入燃气涡轮机/发电机系统，该系统以相对较高的40％热效率水平发电，比目前的轻水反应堆高出四分之一。
卵石床反应堆设计的相对较小尺寸和总体简单性增加了它们的经济可行性。每个发电模块产生120兆瓦的电力输出，可以部署在只有当今中心站工厂十分之一大小的单元中，这使得可以开发更灵活、规模适中的项目，这些项目可能提供更有利的经济结果。例如，模块化系统可以在工厂中制造，然后运到施工现场。
与当前设计相比，卵石床系统的相对简单性是惊人的：这些单元只有大约二十几个主要工厂子系统，而轻水反应堆中约有200个。值得注意的是，这些工厂的运行可以扩展到更高的温度范围，这使得可以从水或其他原料中低排放生产氢气，用于燃料电池和清洁燃烧的运输发动机，这些技术是可持续的氢基能源经济的基础。
这些下一代反应堆还包含几个重要的安全特性。作为一种惰性气体，氦冷却剂不会与其他材料发生反应，即使在高温下也是如此。此外，由于燃料元件和反应堆堆芯由耐火材料制成，因此它们不会熔化，只有在事故中遇到的极高温度（超过1,600摄氏度）下才会降解，这一特性提供了相当大的运行安全裕度。
其他安全优势也源于堆芯持续在线的加油方式：在运行过程中，大约每分钟从堆芯底部移除一个卵石，同时在顶部放置一个替换品。通过这种方式，所有卵石都像分配机中的口香糖一样逐渐向下移动穿过堆芯，大约需要六个月的时间才能完成。此功能意味着该系统包含最佳的操作燃料量，几乎没有额外的裂变反应性。它消除了当前水冷反应堆中可能发生的整类过度反应性事故。此外，卵石在功率高低区域的稳定移动意味着每个卵石平均经历的操作条件比固定的燃料配置要少，从而再次增加了装置的安全裕度。使用后，废弃的卵石必须放入长期存储库，就像今天处理用完的燃料棒一样。
水冷反应堆即使是标准的水冷核反应堆技术，其未来也焕然一新。为了克服因冷却剂损失而造成的事故（在三哩岛发生）的可能性并简化整个工厂，出现了一种新型的第四代系统，其中所有主要组件都包含在一个容器中。这个类别中的一个美国设计是西屋电气开发的国际反应堆创新和安全（IRIS）概念。
将整个冷却剂系统装在耐损坏的压力容器内意味着，即使其中一个大管道破裂，主系统也不会遭受重大的冷却剂损失。由于压力容器不允许流体逸出，因此任何由此产生的事故都仅限于比以前的设计中可能发生的压力下降更为温和的下降。
为了实现这种紧凑的配置，这些反应堆中采用了几个重要的简化措施。容器内的子系统堆叠在一起，以便在事故期间通过自然循环实现被动热传递。此外，控制棒驱动器位于容器中，消除了它们可能从堆芯中弹出的可能性。这些单元也可以构建为小型发电模块，从而实现更灵活和更低成本的部署。
这些反应堆的设计人员还在探索在高温度和压力（高于374摄氏度和221个大气压）下运行工厂的潜力，这种情况被称为水的临界点，此时液体和蒸气之间的区别变得模糊。超过其临界点后，水表现为具有特殊比热（热存储能力）和卓越传热（热导率）性能的连续流体。它也不会在加热时沸腾，或者在快速减压时闪蒸成蒸汽。在临界点以上运行的主要优点是，系统的热效率可以达到45％，并且接近氢燃料生产变得可行的升高温度范围。
尽管基于超临界水的反应堆乍一看与标准的第二代设计非常相似，但差异之处很多。例如，前者的堆芯小得多，这有助于节约压力容器和周围的工厂。接下来，相关的蒸汽循环设备大大简化，因为它使用单相工作流体运行。此外，较小的堆芯和低冷却剂密度减少了在发生事故时必须保持在安全壳内的水量。由于低密度冷却剂不会减缓中子的能量，因此可以考虑具有相关可持续性优势的快谱反应堆设计。超临界水系统的主要缺点是冷却剂的腐蚀性越来越强。这意味着必须开发用于控制腐蚀和侵蚀的新材料和方法。加拿大、法国、日本、韩国和美国正在进行超临界水反应堆研究。
快谱反应堆一种针对较长期的设计方法是快谱（或高能中子）反应堆，它是另一种类型的第四代系统。法国、日本、俄罗斯、韩国和其他地方的设计团队正在追求这种类型的反应堆。美国快堆开发计划于1995年被取消，但在第四代计划下，美国的兴趣可能会复苏。
大多数核反应堆采用热中子或相对低能量的中子发射谱。在热反应堆中，裂变反应中产生的高速（高能量）中子在与水或其他轻核素中的氢碰撞时，速度会减慢至“热”能级。虽然这些反应堆在发电方面经济高效，但在生产核燃料（在增殖反应堆中）或回收核燃料方面效率不高。
迄今为止建造的大多数快谱反应堆都使用液态钠作为冷却剂。未来版本的此类反应堆可能会使用钠、铅、铅铋合金或惰性气体（如氦气或二氧化碳）。快堆中能量较高的中子可用于制造新燃料或摧毁热堆产生的长寿命废物以及拆除武器产生的钚。通过回收快堆中的燃料，它们可以从铀中产生更多的能量，同时减少必须长期处置的废物量。这些增殖反应堆设计是提高未来核能系统可持续性的关键之一，特别是如果核能的使用量要大幅增长的话。
除了支持使用快中子谱之外，金属冷却剂还具有几个吸引人的优点。首先，它们具有出色的传热性能，这使得金属冷却反应堆能够承受像三里岛和切尔诺贝利发生的事故。其次，一些（但不是全部）液态金属对部件的腐蚀性远低于水，从而延长了反应堆容器和其他关键子系统的使用寿命。第三，这些高温系统可以在接近大气压力的条件下运行，大大简化了系统设计并减少了工厂中潜在的工业危险。
全球已经运行了十几个钠冷反应堆。这些经验引起了人们对必须克服的两个主要困难的关注。钠与水反应会产生高热，这可能成为事故的根源。这一特性使得钠冷反应堆的设计者必须包含一个辅助钠系统，以隔离反应堆堆芯中的一次冷却剂与发电蒸汽系统中的水。一些新的设计专注于新型换热器技术，以防止泄漏。
第二个挑战与经济性有关。由于钠冷反应堆需要在堆芯和涡轮机之间进行两次传热步骤，因此资本成本增加，热效率低于最先进的气冷和水冷概念（先进钠冷反应堆约为 38%，而超临界水反应堆为 45%）。此外，液态金属是不透明的，这使得部件的检查和维护更加困难。
下一代快谱反应堆设计试图利用早期配置的优势，同时解决其缺点。技术已经发展到这样的程度，即可以设想快谱反应堆，工程师们认为这种反应堆发生堆芯熔毁的可能性很小。此外，惰性气体、铅或铅铋合金等非反应性冷却剂可能无需辅助冷却系统，并提高该方法的经济可行性。
核能在其发展中已到了一个关键阶段。美国当前一代核电站的经济成功基于改进的管理技术和谨慎的实践，从而引发了人们对购买新电站的日益浓厚的兴趣。新型反应堆设计可以从长远来看显著提高核能系统的安全性、可持续性和经济性，从而为它们的广泛部署开辟道路。
核能入门
世界上大多数核电站都是压水反应堆。在这些系统中，高压（155 个大气压）下的水可以抑制沸腾，既充当冷却剂又充当工质。最初在美国根据美国海军反应堆计划中获得的经验开发，第一座商用压水轻水反应堆于 1957 年开始运行。
压水反应堆的反应堆堆芯由锆合金包覆的燃料棒阵列组成，这些燃料棒由直径与一角硬币大小的低浓缩氧化铀小圆柱体（颗粒）组成。一个典型的 17x17 正方形燃料棒阵列构成一个燃料组件，大约 200 个燃料组件排列在一起形成一个反应堆堆芯。堆芯通常直径约 3.5 米，高 3.5 米，包含在 15 至 20 厘米厚的钢压力容器内。
核裂变反应产生热量，由循环水带走。冷却剂以大约 290 摄氏度的温度泵入堆芯，并以大约 325 摄氏度的温度离开堆芯。为了控制功率水平，将控制棒插入燃料阵列。控制棒由通过吸收裂变过程中发射的慢（热）中子来减缓裂变反应的材料制成。它们被抬出或降低到堆芯中以控制核反应的速率。为了更换燃料或在发生事故时，将控制棒完全降低到堆芯中以关闭反应。
在主反应堆冷却剂回路中，热水离开反应堆堆芯，流经换热器（称为蒸汽发生器），在那里将热量传递给在较低压力水平下运行的辅助蒸汽回路。在换热器中产生的蒸汽随后通过蒸汽涡轮机膨胀，蒸汽涡轮机又旋转发电机以产生电力（通常为 900 至 1,100 兆瓦）。然后将蒸汽冷凝并泵回换热器以完成循环。除了热源之外，核电站通常与燃煤或燃油发电设施相似。
轻水冷却反应堆有几种变体，最著名的是沸水反应堆，它在较低的压力（通常为 70 个大气压）下运行，并在反应堆堆芯中直接产生蒸汽，从而无需中间换热器。在少数核电站中，反应堆冷却剂是重水（含有氢同位素氘）、二氧化碳气体或液态金属（如钠）。
反应堆压力容器通常安装在充当辐射屏蔽的混凝土堡垒内。堡垒又封闭在钢筋混凝土安全壳内。安全壳旨在防止事故中放射性气体或液体的泄漏。
支持核能的理由
今天，438 座核电站发电量约占世界总发电量的 16%。在美国，103 座核电站提供该国约 20% 的电力生产。尽管美国在过去二十多年中没有订购新的核设施，但随着该行业的成熟和效率的提高，美国发电机的发电量每年增长近 8%。仅在过去 10 年中，美国核电站就增加了 23,000 多兆瓦的电力——相当于 23 座大型发电厂——尽管没有任何新的建设。与此同时，产量增加降低了核发电的单位成本。这种改进使得商界对延长电站运营许可证以及可能购买新的核设施的兴趣日益浓厚。
令一些人惊讶的是，使用核能对环境（特别是空气质量）有直接的好处。尽管关于二氧化碳和其他温室气体排放对地球气候造成破坏的潜力仍然存在争议，但毫无疑问的是，燃烧化石燃料造成的空气污染对健康造成的严重后果。与化石燃料发电厂不同，核电厂不产生二氧化碳、硫或氮氧化物。美国每年核电生产避免了 1.75 亿多吨碳的排放，如果同样数量的电力通过燃烧煤炭产生，这些碳就会被释放到环境中。
很少有人关注核能生产氢气的能力，氢气可用于交通燃料电池和其他更清洁的发电厂。一种非常直接的方法是利用高温核反应堆的能量来驱动甲烷的蒸汽重整反应。然而，该过程仍然会产生二氧化碳作为副产品。几种直接热化学反应可以使用水和高温产生氢气。日本和美国正在进行关于硫酸热化学分解和其他制氢反应的研究。核能制氢的经济性仍有待证明，但这种方法存在巨大的潜力，也许可以在新的电力-氢气热电联产模式下运行。
提高经济性 美国任何核能建设都必须解决有关其资本成本和融资的具有挑战性的经济问题。问题在于，以三个核管理委员会认证的先进轻水反应堆设计为代表的当前一代核电站的发电容量约为每千瓦电力 (kWe) 1,500 美元，这可能不足以重新启动核能建设。新的（第三代和第四代）核电站项目的广泛讨论的成本目标是每千瓦电力 1,000 美元。实现这一目标将使其在单位成本方面与最经济的选择——联合循环天然气电厂竞争。任何下一代设施还必须在大约三年内完成，以使融资成本保持在可控水平。新的简化但尚未尝试的许可程序应该可以加快这一过程。
鉴于过去在美国核项目中的经验，设计者和建造者将很难实现这些目标。为了实现成本目标，核工程师正在寻求通过提高工作温度和简化子系统和组件来获得更高的热效率。加快电站建设将需要电站设计的标准化、工厂制造和认证程序；将电站划分为更小的模块，以避免现场建设的需要；以及使用计算机化的装配管理技术。通过这种方式，可以在现场进行之前在虚拟现实中验证构建工作。
提高安全性 随着核电工业过去 20 年来经济绩效的提高，其安全绩效也随之提高。1979 年的三里岛事故使电站所有者和运营者将注意力集中在提高安全裕度和性能的必要性上。例如，向核管理委员会报告的所谓具有重大安全意义的事件数量在 1990 年平均每个电站每年约为两次，到 2000 年已降至十分之一以下。与此同时，根据最近的民意调查，自 1986 年切尔诺贝利事故以来，公众对核电安全性的信心已基本恢复。
美国能源部要求国际和国内专家在过去一年中制定了下一代核设施的长期安全目标。他们确立了三个主要目标：提高电站的安全性和可靠性，减少事故发生时造成重大损害的可能性，以及最大限度地减少任何确实发生的事故的潜在后果。实现这些目标将需要采用固有安全特性的新电站设计，以防止事故发生，并防止事故恶化为可能将放射性释放到环境中的更严重的情况。
核废料处置和再利用 有关核废料的处理和处置以及防止核扩散的突出问题也必须解决。内华达州的尤卡山长期地下储存库正在接受评估，以确定它是否可以成功接收商业乏燃料。然而，它已落后计划十年，即使建成，也无法容纳未来预计的废物量。
目前“一次通过”或开放式核燃料循环使用新开采的铀，在反应堆中燃烧一次，然后作为废物排放。这种方法导致只有大约 1% 的铀能量转化为电能。它还会产生大量乏核燃料，必须以安全的方式处置。通过回收乏燃料——即从乏燃料中回收有用的材料，可以避免这两个缺点。
大多数其他拥有大型核电计划的国家——包括法国、日本和英国——都采用所谓的闭式核燃料循环。在这些国家，用过的燃料被回收以回收铀和钚（在反应堆辐照过程中产生），并将其再加工成新的燃料。这项工作使从燃料中回收的能量增加了一倍，并从必须永久储存的废物中去除大部分长寿命放射性元素。但应该指出的是，与新开采的燃料相比，回收燃料目前更昂贵。目前的回收技术还会导致钚的分离，这可能会被转移到武器中。
基本上所有的核燃料回收都是使用称为 PUREX（钚铀萃取）的工艺进行的，该工艺最初是为提取用于核武器的纯钚而开发的。在 PUREX 回收中，用过的燃料组件被运输到回收厂，装在重型屏蔽、抗损坏的运输容器中。燃料组件被切碎并用强酸溶解。然后，燃料溶液经过溶剂萃取程序，将裂变产物和其他元素与铀和钚分离，并进行提纯。铀和钚被用来制造用于轻水反应堆的混合氧化物燃料。
回收有助于最大限度地减少核废物的产生。为了减少对存储空间的需求，可持续的核燃料循环将分离短寿命、高热量的裂变产物，特别是铯 137 和锶 90。这些元素将单独保存在对流冷却设施中 300 到 500 年，直到它们衰变到安全水平。优化的闭式（快堆）燃料循环不仅会回收铀和钚，还会回收燃料中的所有锕系元素，包括镎、镅和锔。在一次通过的燃料循环中，超过 98% 的预期长期放射毒性是由由此产生的镎 237 和钚 242 造成的（半衰期分别为 214 万年和 38.7 万年）。如果这些长寿命的锕系元素也从废物中分离出来并回收，那么控制储存库的长期影响就会变得更加简单。从运往地质储存库的废物中去除铯、锶和锕系元素可以使其容量增加 50 倍。
由于人们对推进核燃料循环的可持续性和经济性的持续兴趣，一些国家正在开发更有效的回收技术。目前，在美国阿贡国家实验室正在开发一种电冶金工艺，该工艺可以避免分离纯钚。法国、日本和其他地方正在研究具有类似优势的先进水性回收程序。
确保不扩散 新核能系统的一个关键方面是确保它们不允许武器可用材料从后处理循环中转移。当国家获得核武器时，他们通常会开发专门的设施来生产裂变材料，而不是从民用发电厂收集核材料。商业核燃料循环通常是生产武器级材料成本最高且难度最大的途径。新的燃料循环必须继续设计以防止扩散。 ——J.A.L.、R.G.B. 和 J.F.K. 核电站对恐怖分子有多安全？
2001 年 9 月 11 日的悲惨事件引发了人们对核设施容易遭受恐怖袭击的担忧。尽管已经实施了严格的民用和军事安全对策来阻止坚决的袭击，但大型商用客机故意坠毁的事件依然萦绕在人们的想象中。那么，美国人应该担心吗？答案是有，也有不是。
核电站不是高速飞行的客机的容易攻击目标，因为对圆顶圆柱形安全壳的偏离中心撞击不会对建筑结构产生实质性影响。反应堆堆芯位于地面或地下，直径通常小于 10 英尺，高度为 12 英尺。它被封闭在由混凝土城堡包围的重型钢容器中。反应堆安全壳的设计细节各不相同，但在所有情况下，它们都旨在承受最恶劣的自然力（包括地震、龙卷风和飓风）。尽管并非旨在抵抗战争行为，但安全壳可以承受小型飞机的坠毁。
即使反应堆堆芯受到保护，一些管道和反应堆冷却设备、辅助设备和相邻的开关站也可能容易受到直接撞击。然而，核电站配备了多个应急冷却系统以及应急电源，以防止电源被禁用。在所有这些备用预防措施都不可能被摧毁的情况下，反应堆堆芯可能会过热并融化。但即使在这种情况极端的情况下，类似于三里岛发生的情况，放射性堆芯材料仍将包含在压力容器内。
如果说核电站有致命弱点，那就是乏核燃料的现场临时储存设施。尽管这些储藏库通常包含多个用过的燃料组件，因此比反应堆的总放射性更高，但旧燃料中大多数更危险的放射性同位素已经衰变消失。对于可能进入空气中的气态裂变产物尤其如此，其半衰期可以用月来衡量。相对最近从反应堆中取出的乏燃料组件保存在深水池中，以冷却它们并屏蔽它们发出的辐射。这些露天水池周围环绕着厚壁、钢衬里的混凝土容器。几年后，这些材料被转移到混凝土、风冷干燥燃料储存桶中。
尽管冷却池为恐怖分子提供了一个相对较小且因此难以攻击的目标，但精确的攻击可能会耗尽水池中的水，导致燃料过热和熔化。专家表示，一根标准消防水管就足以重新注满水池。专家表示，即使燃料熔化，也不会产生可能进入空气的少量放射性微粒。专家表示，飞机坠毁到干燥的燃料储存桶中可能只会将其撞到一边。根据核安全专家的说法，如果任何桶破裂，氧化燃料包壳的碎片可能会将一些放射性物质带到空中。
一些专家认为，核管理委员会很快将命令加强核电站辅助设备和废物储存设施。
如果发生此类恐怖袭击，已经制定了疏散附近居民的计划，尽管必须说批评者认为这些计划是不切实际的。然而，人们认为大约有 8 到 10 个小时的时间可以安全撤离，远远早于疏散人员接受到明显的放射性剂量。最严重的潜在不利影响可能是空气中的微粒对当地的长期污染，清理起来会很昂贵。 ——编辑