核电供应了世界六分之一的电力。与水电（供应略多于六分之一）一起，它是当今主要的“无碳”能源来源。这项技术经历了成长的阵痛，切尔诺贝利和三哩岛事故在公众心中留下了深刻的烙印，但最近的电厂已经证明了非凡的可靠性和效率。世界铀的充足供应可以为比今天存在的反应堆规模大得多的核反应堆群提供燃料，贯穿其 40 至 50 年的寿命。
随着对全球变暖的担忧日益加剧，以及温室气体排放很可能以某种方式受到监管，美国和其他地方的政府和电力供应商越来越多地考虑建造大量额外的核电站，这并不令人惊讶。化石燃料替代品各有缺点。天然气在一个碳受限的世界中很有吸引力，因为它相对于其他化石燃料具有较低的碳含量，并且先进的发电厂具有较低的资本成本。但是，所产生电力的成本对天然气价格非常敏感，近年来天然气价格已变得更高且更不稳定。相比之下，煤炭价格相对较低且稳定，但煤炭是碳排放强度最高的电力来源。如果要大幅扩大燃煤发电，而不向大气中排放不可接受的碳量，则必须对二氧化碳的捕获和封存进行论证并大规模引入，这将大大增加成本。这些担忧使人们对天然气或燃煤电厂的新投资产生疑问。
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长期临时储存废物应成为处置策略的组成部分。
所有这些都指向了核能复兴的可能性。事实上，自 2000 年以来，全球已有超过 20,000 兆瓦的核电容量上线，主要在远东地区。然而，尽管主要核运营商表现出明显的兴趣，但美国尚未下达任何确定的订单。新建核电站的主要障碍是高昂的资本成本和核废料管理的不确定性。此外，全球核电的扩张引发了人们的担忧，即某些国家的核武器野心可能会在无意中得到推进。
2003 年，我们共同主持了麻省理工学院的一项重要研究《核电的未来》，该研究分析了保留核能选项所需条件。该研究描述了一个情景，即到 2050 年，全球核能发电量可能增加两倍，达到一百万兆瓦，从而使全球每年减少 8 亿至 18 亿吨碳排放，具体取决于取代的是燃气发电厂还是燃煤发电厂。按照这个规模，核电将显著有助于稳定温室气体排放，到 2050 年，这需要每年减少约 70 亿吨碳排放[参见 Robert H. Socolow 和 Stephen W. Pacala 的“控制碳排放的计划”]。
燃料循环
如果要如此大规模地扩大核电，应该建造什么样的核电站？一个主要的考虑因素是燃料循环，它可以是开放式或封闭式。在开放式燃料循环（也称为一次通过循环）中，铀在反应堆中“燃烧”一次，乏燃料储存在地质处置库中。乏燃料包括钚，可以化学提取并转化为燃料，用于另一个核电站。这样做会形成一个封闭的燃料循环，有些人提倡这种循环[参见 William H. Hannum、Gerald E. Marsh 和 George S. Stanford 的“更智能地利用核废料”；《大众科学》，2005 年 12 月]。
一些国家，尤其是法国，目前使用封闭式燃料循环，其中钚与乏燃料分离，随后再次燃烧钚和铀氧化物的混合物。一个更长期的选择可能是回收所有超铀元素（钚是超铀元素的一个例子），可能在所谓的快堆中。在这种方法中，几乎所有寿命非常长的废物成分都被消除，从而改变了核废料辩论。然而，需要大量的研发工作来克服使该方案奏效的艰巨技术和经济挑战。
自 2000 年以来，全球已有超过 20,000 兆瓦的核电容量上线。
在封闭循环中回收废物以供再利用似乎是不费吹灰之力的：相同的总功率输出使用的原材料更少，并且长期储存废物的问题得到缓解，因为必须储存数千年的放射性物质的量更少。然而，我们认为，在未来几十年内，开放循环比封闭循环更可取。首先，回收燃料比原始铀更昂贵。其次，似乎有充足的、成本合理的铀来维持我们设想的全球核能发电量增加三倍，并且整个核电站寿命周期（每个电站约 40 至 50 年）都采用一次通过燃料循环。第三，长期废物储存的环境效益被近期复杂且高度危险的后处理和燃料制造操作对环境造成的风险所抵消。最后，封闭燃料循环中发生的后处理会产生钚，钚可能会被转移用于核武器。
至少在未来二十年，甚至更长时间内将继续占据主导地位的反应堆类型是轻水反应堆，它使用普通水（而不是含氘的重水）作为冷却剂和慢化剂。当今世界运行的大多数电厂都属于这种类型，使其成为一种成熟、易于理解的技术。
反应堆设计分为几代。最早的原型反应堆建于 20 世纪 50 年代和 60 年代初，通常是独一无二的。相比之下，第二代反应堆是从 20 世纪 60 年代末到 90 年代初大量建造的商业设计。第三代反应堆融入了设计改进，例如更好的燃料技术和被动安全，这意味着在发生事故时，反应堆会自动关闭，而无需操作员干预。第一座第三代反应堆于 1996 年在日本建成。第四代反应堆是目前正在研究的新设计，例如球床反应堆和铅冷快堆[参见 James A. Lake、Ralph G. Bennett 和 John F. Kotek 的“下一代核电”；《大众科学》，2002 年 1 月]。此外，第三代+反应堆是类似于第三代但高级功能进一步发展的设计。除了高温气冷堆（球床反应堆是其中一个例子）之外，第四代反应堆在成为重要的商业部署候选者之前还需要几十年时间。为了评估我们到 2050 年的情景，我们设想建造第三代+轻水反应堆。
球床模块化反应堆引入了模块化核电站的有趣前景。可以建造每个模块产生约 100 兆瓦的模块，而不是建造大型 1,000 兆瓦的电站。这种方法可能特别有吸引力，无论是在发展中国家还是在放松管制的工业国家，因为所涉及的资本成本要低得多。传统的大型电站确实具有规模经济的优势，最有可能导致每千瓦容量的成本更低，但如果能够实现大规模模块的高效工厂式生产，这种优势可能会受到挑战。南非计划于 2007 年开始建造一座 110 兆瓦的示范球床电站，计划于 2011 年完工，商业模块计划于 2013 年投产，功率约为 165 兆瓦。希望将模块销往国际市场，尤其是在整个非洲。
降低成本
根据以往的经验，新核电站的电力目前比新的燃煤或燃气电站的电力更昂贵。2003 年麻省理工学院的研究估计，新的轻水反应堆每千瓦时产生的电力成本为 6.7 美分。该数字包括电厂的所有成本，分摊在其寿命周期内，并包括投资者可接受的回报等项目。相比之下，在同等假设下，我们估计新的燃煤电厂每千瓦时产生的电力成本为 4.2 美分。对于新的燃气电厂，成本对天然气价格非常敏感，按照今天的高天然气价格（约 7 美元/百万英热单位），成本约为每千瓦时 5.8 美分。
有些人会对核电成本的估计准确性持怀疑态度，考虑到过去过于乐观的情况，可以追溯到早期声称核电会“便宜到无法计量”。但麻省理工学院的分析基于过去的经验和现有电厂的实际性能，而不是核工业的承诺。有些人可能还会质疑此类成本预测中固有的不确定性。重要的一点是，这些估计将核能、煤炭和天然气这三种替代方案置于公平的竞争环境中，并且没有理由期望意外的意外事件会偏向其中一种。此外，当公用事业公司决定建造哪种类型的电厂时，他们将根据此类估计做出决定。
有几个步骤可以降低核能选项的成本，使其低于我们 6.7 美分/千瓦时的基线数字。将建设费用降低 25% 将使电力成本降至 5.5 美分/千瓦时。将电厂的建设时间从五年缩短到四年，并改进运营和维护，可以进一步减少 0.4 美分/千瓦时。任何电厂的融资方式都可能在很大程度上取决于管理电厂选址的法规。将核电站的资本成本降低到与燃气或燃煤电站相同的水平，将缩小与煤炭的差距（4.2 美分/千瓦时）。所有这些降低核电成本的方法都是可行的——特别是如果该行业只建造少量标准化设计的大量电站——但尚未得到证实。
如果对碳排放进行定价，核电在经济上将明显受到青睐。我们将此称为碳税，但定价机制不必采用税收的形式。欧洲有一个系统，其中碳排放许可证在公开市场上交易。2006 年初，许可证的售价超过每吨排放碳 100 美元（或每吨二氧化碳 27 美元），尽管最近其价格已跌至大约一半。（公制单位，一吨等于 1.1 美吨。）仅每吨碳 50 美元的税收就将燃煤发电的成本提高到每千瓦时 5.4 美分。在每吨碳 200 美元的价格下，煤炭的成本高达每千瓦时 9.0 美分。在 200 美元的税收下，天然气的表现远好于煤炭，增加到每千瓦时 7.9 美分。化石燃料电厂可以通过捕获和封存碳来避免假定的碳税，但这样做的成本与税收的作用相同[参见 Robert H. Socolow 的“我们可以埋葬全球变暖吗？”；《大众科学》，2005 年 7 月]。
由于美国多年来没有开始建设核电站，因此建造前几座新电站的公司将面临后续运营商不必承担的额外费用，以及在完成新的许可流程时承担的额外风险。《2005 年能源政策法案》纳入了许多重要条款，以帮助克服这一障碍，例如对新核电站在其运营的前八年提供每千瓦时 1.8 美分的税收抵免。这项有时被称为先行者激励的抵免适用于首批上线的 6,000 兆瓦新电站。一些财团已经成立，以利用新的激励措施。
废物管理
核能复兴面临的第二个大障碍是废物管理问题。世界上还没有哪个国家实施永久处置核电站产生的乏燃料和其他放射性废物的系统。最广泛接受的方法是地质处置，即将废物储存在地下数百米的腔室中。目标是通过工程屏障（例如，废物容器）和地质屏障（腔室已挖掘的天然岩石结构以及水文地质盆地的有利特征）的结合，防止废物在数千年内泄漏。数十年的研究支持地质处置方案。科学家们对可能将放射性核素从处置库输送到生物圈的过程和事件有很好的了解。尽管有这种科学上的信心，但批准地质场址的过程仍然充满困难。
内华达州拟议中的尤卡山设施就是一个典型的例子，该设施已经考虑了二十年。最近，人们发现该场址的水量比预期的要多得多。美国核管理委员会 (NRC) 是否会批准该场址的许可证仍不确定。
解决废物管理问题的延误（即使获得批准，尤卡山也不太可能在 2015 年之前接收废物）可能会使建造新电厂的努力复杂化。根据法律规定，政府应在 1998 年之前开始将乏燃料从反应堆场址转移到处置库。未能这样做导致许多场址需要增加当地储存，并引发了邻居、城镇和州的不满。
芬兰可能是第一个为其高放射性核废料建造永久储存场址的国家。在奥尔基洛托，两座核反应堆的所在地，一个名为 Onkalo 的地下研究设施已经开始挖掘。Onkalo 项目延伸到地下约半公里，将涉及岩石结构和地下水流的研究，并将在实际的地下深处条件下测试处置技术。如果一切按计划进行，并且获得必要的政府许可，第一批废物罐可能会在 2020 年装入。到 2130 年，处置库将完工，进出通道将被填满并密封。自 20 世纪 70 年代末以来，支付该设施的资金已从芬兰核电的价格中征收。
为了解决美国的废物管理问题，政府应取得全国商业反应堆场址储存的乏燃料的所有权，并在永久处置设施建成之前将其合并到一个或多个联邦临时储存场址。废物可以安全可靠地临时储存很长一段时间。这种长期临时储存，甚至长达 100 年，应成为处置策略的组成部分。除其他好处外，它还可以减轻政府和行业提出仓促处置解决方案的压力。
与此同时，能源部不应放弃尤卡山。相反，它应该重新评估该场址在各种条件下的适用性，并根据需要修改项目的进度表。如果全球核电规模扩大到一百万兆瓦，开放燃料循环中产生的高放射性废物和乏燃料将足以每三年半填满一个尤卡山大小的设施。在公众舆论中，这一事实是对核电扩张的重大抑制因素，但这又是一个可以而且必须解决的问题。
核扩散的威胁
除了刚才概述的国内废物管理计划外，总统还应继续外交努力，创建一个国际燃料供应国和用户国体系。美国、俄罗斯、法国和英国等供应国将向核计划规模较小的用户国出售新鲜燃料，并承诺从这些国家运走乏燃料。作为回报，用户国将放弃建造燃料生产设施。这种安排将大大减轻核武器扩散的危险，因为扩散的主要风险不是核电站本身，而是燃料浓缩和后处理厂。伊朗铀浓缩计划的现状就是一个典型的例子。在核电规模将扩大三倍的世界中，燃料租赁给用户的方案是必要的，因为这种扩张将不可避免地涉及核电站蔓延到一些令人担忧的扩散国家。
使该方法奏效的关键在于，对于小型核电计划而言，生产燃料在经济上没有意义。这一事实是世界已经分为供应国和用户国的市场现实的基础。建立供应国/用户模式在很大程度上是一个形式化当前局势的问题，尽管并非易事，而是通过加强商业现实的新协议来更永久地形式化当前局势。
尽管拟议的制度对用户国具有内在吸引力——它们可以获得有保证的廉价燃料供应，并摆脱处理废物材料的问题——但也应实施其他激励措施，因为用户国将同意超越《不扩散核武器条约》的要求。例如，如果建立全球可交易碳信用额度系统，则遵守燃料租赁规则的用户国可以为其新的核电站获得信用额度。
伊朗是当今最明显的例子，全球社会宁愿看到它成为“用户国”而不是浓缩铀生产国。但这并非唯一棘手的情况。另一个必须迅速解决其计划的国家是巴西，该国正在建设一座浓缩设施，据称是为了向该国的两座核反应堆提供燃料。如果要在全球范围内扩大核电规模而不加剧扩散担忧，就需要对伊朗和巴西等国家采取一致的方法。
太瓦未来
太瓦——一百万兆瓦——的“无碳”电力是到本世纪中叶显著减少预计二氧化碳排放量所需的规模。用 Socolow 和 Pacala 的术语来说，这种贡献将相当于七个必需的“稳定楔子”中的一到两个。到 2050 年实现太瓦级核电无疑具有挑战性，需要每月部署约 2,000 兆瓦。需要在几十年内进行 2 万亿美元的资本投资，并且必须在未来十年左右积极解决电厂成本降低、核废料管理和防扩散国际燃料循环制度等问题。一个关键的决定因素将是工业世界和中国、印度和巴西等大型新兴经济体对化石燃料使用产生的二氧化碳排放进行定价的程度。
核电的经济性并不是决定其未来使用的唯一因素。公众接受度还取决于安全和核废料问题，核电在美国和欧洲大部分地区的未来仍然存在疑问。关于安全，至关重要的是必须认真执行 NRC 法规，但情况并非总是如此。
在作为麻省理工学院研究一部分制定的情景中，结果表明，如果要在全球范围内实现太瓦级核电，美国将大约增加三倍的核电部署——达到约 300,000 兆瓦。这种情景的可信度将在未来十年内在很大程度上取决于《2005 年能源政策法案》中先行者激励措施的实施程度、政府开始从反应堆场址转移乏燃料的能力，以及美国政治进程是否会产生一项将显著限制二氧化碳排放的气候变化政策。