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核能：要还是不要？

很少有话题像核能这样让人意见分裂。我们会解释裂变如何在不燃烧化石燃料的情况下发电，为什么稳定供电能与可再生能源互补，以及历史让我们对事故和废料问题有了哪些认识。我们还会看看成本和工期、长期废料储存，以及小型模块化反应堆（SMR）等新型设计接下来可能出现在哪里，从核动力集装箱船到数据中心。

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影响速度成本成熟度自然影响

3.2总体

解决方案评分

  • 影响5 / 5不管天气如何，都能稳定提供大量低碳电力。
  • 速度2 / 5新电站往往要十年或更久才能投入运行。
  • 成本2 / 5前期成本极高，而且长期以来经常超支。
  • 成熟度5 / 5一项已在全球运行数十年的成熟技术；更小型的反应堆正在发展中。
  • 自然影响2 / 5占地很小，但铀矿开采、放射性废物和用水都是问题。

指南

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测验

第 1 题，共 10 题

大约公元前430年，谁最先提出了原子的概念？

得分 0 / 10

旁白稿

原子看起来可能微不足道，但这些微小的积木蕴藏着巨大的能源潜力，或许能解决人类最大的挑战之一：既能持续供电，又不把地球搞砸。

问题是，驾驭原子能有点棘手，弄错了可不好受。让我们来看看核电的神奇之处。

虽然人类本来就是由原子构成的，但直到古希腊哲学家留基伯和德谟克利特在公元前430年左右提出这个概念，人们才知道原子的存在[1,2,3]。但没有证据，几乎所有人都没理他们。

到了20世纪，原子的存在终于被证明[4,5,6]，1938年，活力十足的德国搭档奥托·哈恩和弗里茨·施特拉斯曼，在常被忽视的莉泽·迈特纳帮助下，发现了如何劈开原子来释放巨量能量 - 这个过程叫作核裂变[7,8,9]。

不出所料，人类做的第一件事就是造炸弹[10]。但硝烟散去后，有人发现原子能还能给烤面包机、电视和台灯供电，于是核电诞生了[11,12]。

但原子能到底是怎么释放出来的？

首先，你得有对的原子。像铀-235这样的重放射性原子很不稳定，所以最容易被劈开[13,14,15]。

把它们装进燃料棒，放入核反应堆，再用一种叫中子的亚原子粒子轰击，原子就会被迫裂开，释放出更多中子。就像原子多米诺骨牌游戏一样，它们会撞向其他铀原子，引发链式反应。

这会产生热量，把水变成蒸汽，带动涡轮机发电，全程不用燃烧，也不会释放任何碳[16-19]。

和1千克煤相比，1千克铀能产生超过15万倍的能量[20,21,22]，而且铀在地球上相当常见[23,24,25]，这种低碳能源有望用上几百年[26]。

通过替代化石燃料，它在过去50年里已经避免了近700亿吨二氧化碳排放[27]……比日本或印度历史上排放过的 CO2 还多[28]。

但它最大的优势或许是能稳定持续运行，这意味着它可能解决风能和太阳能面临的最大难题：间歇性问题。风能和太阳能要看天气，所以不能总在需要时供电[29-32]。

所以，在人类搞清楚怎样储存足够的风能和太阳能，留给那些阴天又没风的日子使用之前[33]，核能或许是稳定基荷电力的重要来源，能减少对化石燃料的依赖。它已经占全球发电量的9%[34-37]。

那人类为什么不多用一点呢？

先说说最绕不开的话题：三里岛 [38,39]、切尔诺贝利 [40,41]、福岛 [42,43]。这些核事故的公关效果可不太好 - 都涉及反应堆堆芯冷却失效和人为错误。

过热的堆芯可能会熔毁[44,45,46]，释放出危险水平的辐射，而且会持续几十年……[47-50] 这就说到另一个大缺点：核废料！

铀原子裂变时，不只是释放能量，还会产生铯-137和锶-90等放射性极强的裂变产物，它们会存在数十年，并留下能持续放射数千年的乏燃料[51,52,53]。

核废料还可以被后处理，从中提取钚来制造核武器，随着越来越多国家拥有造炸弹的能力，这也带来了核扩散风险[54,55,56]。

还有成本问题。大型核电站建设又慢又贵[57,58,59]，有时要花几十年，成本高达数百亿美元[60,61,62] - 比风能、太阳能，甚至化石燃料都贵得多。

更糟的是，近几十年新建核电站越来越贵，而风能和太阳能等能源则便宜了很多[63,64,65]。

那人类到底为什么还要费劲发展核电呢？

令人意外的是，核电其实比化石燃料安全得多，化石燃料会排放有毒空气污染物，每年害死数百万人[65-71] - 比核能在整个历史上造成的死亡人数多得多！[72-81]。

事实上，核电是仅次于太阳能的第二安全能源[82,83]。

但核废料问题呢？过去，人类会把它储存在大型混凝土容器中[84]，或埋进地下库室来防止泄漏[85,86]。

能够安全储存废料数千年的深层地质处置库[87,88,89]，正在芬兰、瑞典和法国的地下建设。所以废料确实是个挑战，但可以解决，而且和产生的能量相比，总废料量很小[90]。

至于那个讨厌的钚？现在，要从现代反应堆的废料中提取武器级材料已经非常困难，能搞小动作的空间也就很小了！[91,92]。

最后一个问题就是：成本。虽然核电站建设昂贵，但一旦投入运行，通常能以相对较低的成本运行60至80年[93,94,95] - 比风能和太阳能设施长得多，它们的使用寿命只有20至30年[96,97,98]。核电站还能直接接入现有电网，而风能和太阳能因为间歇性，需要升级储能和输电设施[34,35,99,100]。

熔盐反应堆等先进反应堆设计，还能进一步提高安全性和效率。通过使用液态燃料，它们能在更低压力下实现更高的热效率。它们还有更好的故障安全机制：如果燃料过热，它会熔化一个塞子，燃料就会自动排出冷却。灾难躲过去了！[101-106]

小型模块化反应堆也越来越受关注，它们在场外工厂建造，有望降低前期成本，也有望加快建设速度[107-110]。科技巨头已经在探索用它们给数据中心供电[111,112,113]，航运公司也在研究用它们驱动未来的集装箱船[114-118]。

所以，大问题来了：人类该用核能吗？嗯，没有哪种能源完美无缺，核裂变当然也有缺点，主要是贵，而且建设可能要花几十年。

与此同时，风电场和太阳能电站建设更快、更便宜[119,120,121]，而且它们的成本 - 连同电池储能的成本 - 正在快速下降[122,123,124]，未来几十年应该还会继续下降[125-128]。

等到新的核电站，甚至模块化反应堆投入运行时，风能和太阳能等发展更快的技术（由电池储能支持）或许已经抢尽风头[125-131]，让核能感觉……嗯，有点姗姗来迟。

但眼下，核能仍是少数能持续提供安全可靠电力的低碳选择之一。所以，如果人类真的想减碳[132]，至少让现有核电站继续运行不只是明智的风险管理。这更是必不可少。

无论是新核技术及时变得经济划算，还是储能方案让可再生能源成为首选答案，有一点很清楚……竞赛已经开始！

专家顾问

我们要感谢

Prof. Ian Farnan

剑桥大学

剑桥核能中心

Dr. Nathaniel Read

剑桥大学

工程部

Prof. Simon Middleburgh

班戈大学

核未来研究所

Prof. James Marrow

牛津大学曼斯菲尔德学院

材料系

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问题与经济 - 美国现状

问题与经济 - 法国和德国现状

延伸阅读

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核反应堆概述

历史

缺点与解决方案

创新

参考资料

这里的所有链接内容都是英文。

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  84. [84] 乏核燃料干式贮存简介 | NRC.gov
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  86. [86] 放射性废物近地表处置设施 | IAEA
  87. [87] 放射性废物治理的未来 | 来自欧洲的经验
  88. [88] 芬兰研发的最新进展，支持深地质处置库最终运行 | Waste Management Symposium 2024
  89. [89] 放射性废物深地质处置 | Radioactivity in the Environment
  90. [90] 什么是核废料，我们该如何处理？ | Nuclear Essentials | World Nuclear Association
  91. [91] 防止核扩散的保障措施 | World Nuclear Association
  92. [92] 情况说明：核能项目中的核扩散风险 | Center for Arms Control and Non-Proliferation
  93. [93] 核设施退役 | World Nuclear Association
  94. [94] 核反应堆的寿命有多长？比你想的长得多 | US Department of Energy
  95. [95] 为什么核电站的寿命越来越长 | MIT Technology Review
  96. [96] 风力涡轮机和太阳能板过早老化 | IER
  97. [97] 英国的太阳能板能用多久？ | The Renewable Energy Hub
  98. [98] 风力涡轮机寿命 | The Renewable Energy Hub
  99. [99] 智能、稳定、可靠 | IAEA
  100. [100] 可再生能源并入电网 | IRENA
  101. [101] 熔盐反应堆（MSR） | IAEA
  102. [102] 熔盐反应堆 - 概述 | ScienceDirect Topics
  103. [103] 熔盐反应堆 | Gateway for Accelerated Innovation in Nuclear
  104. [104] 熔盐反应堆与轻水反应堆的安全评估 | Journal of Radiation Research and Applied Sciences
  105. [105] 探索熔盐反应堆的优势 | Digital Chemical Engineering
  106. [106] 熔盐反应堆 - 安全选择多多 | OSTI.GOV
  107. [107] 什么是小型模块化反应堆(SMR)？ | IAEA
  108. [108] 先进小型模块化反应堆(SMR) | US Department of Energy
  109. [109] 小型模块化反应堆：更简单、更安全、更便宜？ | Energy
  110. [110] 小型模块化反应堆 - 美国未来核电发电的关键 | EPIC | University of Chicago
  111. [111] Google转向核能为AI数据中心供电 | BBC News
  112. [112] Amazon采用核能小型模块化反应堆推动实现净零碳排放 | Amazon
  113. [113] Microsoft可在用小型模块化反应堆为AI供电方面领先 | Forbes
  114. [114] Maersk探索核能集装箱航运的可行性 | Ship Technology
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  116. [116] 航运业迈向净零的核能选择：可行吗？ | HFW
  117. [117] 到2020年代末，浮动核电站将在世界各地多个地点投入运行 | The Lyncean Group of San Diego
  118. [118] Ulstein的核动力Thor及其全电动配套船是海洋旅游的零碳解决方案 | The Lyncean Group of San Diego
  119. [119] 核能、风能和太阳能的历史扩散：对气候减缓路径的影响 | Environmental Research Letters
  120. [120] 核电与可再生能源：规模视角 | SSRN
  121. [121] 可再生能源、化石燃料和核能发电成本的比较分析 | Journal of Cleaner Production
  122. [122] 低成本可再生电力是推动全球能源转型迈向可持续发展的关键 | Energy
  123. [123] 可再生能源成本大幅下降 - 能源情景预测落后了吗？ | Energy Strategy Reviews
  124. [124] Batteries and Secure Energy Transitions - Analysis | IEA
  125. [125] Battery storage and renewables: costs and markets to 2030 | IRENA
  126. [126] Cost Projections for Utility-Scale Battery Storage: 2023 Update | NLR (NREL)
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  128. [128] 我们是否过于悲观？太阳能光伏、风电和电池的成本预测在全球范围内高估了实际成本 | Applied Energy（见参考注释*）
  129. [129] 重新思考能源 | ReThinkX（存档）
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  131. [131] 核能在美国脱碳电力系统中的未来作用 | NLR (NREL)
  132. [132] 为新建核电项目融资的新视角 | Nuclear Technology & Development Economics | OECD NEA

参考注释

4-9

首次分裂原子与核裂变的区别

科克罗夫特和沃尔顿在1932年用质子轰击锂-7，分裂了原子。 这项工作为质能等价（E=mc2）提供了实验证据，他们也因此获得诺贝尔奖，并展示了“核能”的释放（约8 MeV - 兆电子伏）。 后来，迈特纳、哈恩和施特拉斯曼用中子轰击铀，使一个铀原子核发生裂变，释放出200 MeV能量和2-3个中子，从而形成核链式反应，而这一反应最初由利奥·西拉德于1933年提出。

20,21,22

铀的能量密度

有些资料称，铀的能量密度比煤炭高数百万倍。虽然这是真的，但容易让人误解，因为反应堆中只能有效释放其中一小部分能量。

  • U-235 = 3,900,000 MJ/kg
  • 煤炭 = 24 MJ/kg
  • 原油 = 44 MJ/kg
32-35

核能基荷电力 - 可调度与跟随负载

核电站一旦建成，就能提供持续、可靠、易于接入且“可调度”的电力，避免目前大型风电和太阳能并网、输电配电和储能带来的成本与复杂性，而这些因素往往未被纳入成本效益分析。然而，核能属于“基荷”能源，不能像“负荷跟随”能源那样，根据能源过剩或需求高峰迅速上调或下调输出。因此，它们面临着与传统基荷电源相同的挑战 A。为解决这一问题，先进反应堆正利用熔盐热库储存多余电力，而像法国那样的核反应堆网络，则可通过相对小幅、相互配合的输出调整来有效响应。

（伊恩·法南教授评论，2024）

57-63

核能成本

新建公用事业级发电技术的成本和性能估算。（2019年 - 仅限美国）B

基础成本估算：

  • 先进核能：6,041美元/kW
  • 100 MW水电站：5,316美元/kW
  • 海上风电：4,375美元/kW
  • 生物质能：4,097美元/kW
  • 超超临界燃煤（不含CO2碳捕集）：3,676美元/kW
  • 地热电站：2,521美元/kW
  • 小型陆上风电：1,677美元/kW
  • 大型陆上风电：1,265美元/kW
  • 太阳能光伏：1,313美元/kW
  • 燃气（联合循环 - 单轴）：1,084美元/kW
  • 燃气（联合循环 - 多轴）：958美元/kW
  • 燃气（燃气轮机 - 航空衍生型）：1,175美元/kW
  • 燃气（燃气轮机 - 工业框架型）：713美元/kW

“新核电机组目前显示，总成本将为5,500美元/kW至8,100美元/kW，或每座1,100 MW电站60亿美元至90亿美元。”（2008年）C

“2007年，穆迪将美国一座新的1,000 MW核反应堆的‘全包价格’报为每座50亿至60亿美元。”D

（关于核能经济的未来，参见额外资料）

65

平准化度电成本 (LCOE) 图表

图中所示为对 Lazard 2025 年 6 月 LCOE+ 报告所发布数据的汇总，反映了历年 LCOE 研究中未获补贴的平均平准化度电成本。它主要涉及北美能源格局，但也反映了更广泛的全球成本变化。其他可再生能源技术的全球平均公用事业规模 LCOE 走势可见来源E。

66-71

关于化石燃料相关死亡的评论

因使用化石燃料而导致的过早死亡确切人数，不同来源的估计差异很大，而且由于难以准确归因，所有数字都只是估计，因此无法给出精确数字。

  • [66]确定了2015年因燃烧化石燃料产生的空气污染造成健康影响而导致的年度额外死亡人数。它给出的全球数字为361万例死亡，其中中国死亡人数最高，仅中国就有150万例。
  • [67]估计2012年因暴露于PM2.5（燃烧化石燃料排放到空气中的颗粒物）而过早死亡的人数为1020万，其中中国390万，印度250万。
  • [68]估计2019年因细颗粒物和臭氧污染导致的额外死亡人数为834万，其中大多数（52%）由心脏代谢疾病造成，而这些疾病直接由上述污染引发。
  • [69]模拟得出，全球每年因空气污染（暴露于臭氧和细颗粒物）造成的额外死亡总数为879万，受影响者的平均预期寿命缩短26.5年，全球平均预期寿命损失2.9年，原因是健康状况恶化。该模型采用大气化学-大气环流模型和全球暴露死亡率模型，按IPCC建议运行了20年和30年的时段。
  • [70]采用与[69]类似的方法，但针对2015年，估计所有环境空气污染每年造成全球额外死亡880万例，包括人为化石燃料排放和自然空气污染（来自野火，而野火可说是化石燃料排放的间接结果，因为全球变暖加剧使其更猛烈/更频繁）。还估计全球平均预期寿命缩短2.9年，其中1.7年来自所有人为排放，1.1年来自仅化石燃料排放。作为对比，烟草每年致死720万人，导致预期寿命损失2.2年。
  • [71]总结了用核能替代化石燃料及随后死亡率下降的论点，称1971-2009年间净避免了180万例死亡，平均每年7.6万例，范围为1.9万-30万例。它还说明，核电造成的死亡人数比褐煤少99.9%，比煤炭少99.8%，比石油少99.7%，比燃气少97.6%。
72-81

关于核能相关死亡的评论

核电及相关事故造成的确切过早死亡人数几乎无法准确计算，因为核辐射有长期影响、涉及的风险程度不同，而且事故报告的质量也参差不齐。

  • [72] 一份核电站维护工作直接死亡的名单。全部为非平民死亡，共计50人。
  • [73] 自核电出现以来，全球共报告了30起事故，其中最重大、影响最深的是切尔诺贝利（1986年）、福岛第一核电站（2011年）和三里岛（1979年）。
  • [74] 切尔诺贝利事故代表了核电事故最严重的影响。事故发生后不久有30人死亡。然而，相关疾病造成的确切死亡人数仍有争议，一些21世纪初的报告预测，到2065年癌症风险导致的最高死亡人数可能达到16,000-60,000人。世界卫生组织在2005年发布的一份报告称，根据受照情况，最高死亡人数更接近4,000人；2018年，UNSCEAR发布后续报告，其结论与2008年的发现相同，即公众受到的辐射很低。
  • [75] 为上述世界卫生组织报告提供了基础，该报告在事故发生后不久发布，预计死亡人数更接近9,000人。不过，研究只纳入了白俄罗斯、俄罗斯联邦和乌克兰。
  • [76] 同一作者在[75]之后发布的一份更新报告，现已纳入欧洲其他地区，并在世界卫生组织报告之后发布，预测各类癌症将造成14,000人死亡。
  • [77] 解释了死亡人数估计为何不同，并突出其中差异，批评世界卫生组织缺乏背景说明。
  • [78] 一份较新的报告，将此前估计的全欧洲死亡人数从60,000人下调至40,000人，也结合[76]强调了很大的不确定性范围。
  • [79] 关于第二严重的核灾难 - 福岛事故 - [79]报告称，与核事故本身相关的死亡人数为0人，辐射病死亡人数也为0人，但称因撤离造成2,313人“灾害相关死亡”，当时有100,000人为安全起见被撤离。这个数字不包括地震或海啸造成的死亡。
  • [80] 2012年的官方报告显示，辐射造成的死亡人数为0人（福岛）。不过，报告称有573人死于撤离压力。
  • [81] 这项研究预测，辐射造成的死亡人数最高为1,000人，不过由于缺乏长期数据和受照估计，这个数字仍有争议（福岛）。

如前所述，几乎所有核能导致的平民死亡都来自两起事故，且总死亡人数是对未来的预测，而化石燃料相关空气污染则持续影响全球所有地区。因此，尽管由于估算、死亡和疾病归因以及缺乏高质量数据，计算归因于化石燃料和核能的死亡人数存在很大不确定性，但归因于化石燃料燃烧的死亡人数远超核能事故，化石燃料每年造成数百万额外死亡，相比之下，自20世纪50年代以来所有核能的预计总死亡人数为约60,000人（最高估计）。

128

太阳能光伏、风能和电池成本图及未来预测

图中展示了从2020年到2050年陆上风电和公用事业规模太阳能光伏这两种可再生能源的全球平均预测发电成本（LCOE，以美元/MWh计），以及固定式4-h锂离子电池（BESS）的预测储能成本（CAPEX，以美元/kWh储能安装容量计）。这些数据来自[128]，该研究对全球平均成本预测进行了评估。对于每项技术和成本指标（LCOE & CAPEX），该研究汇总了大量区域和全球研究的平均成本预测。这些研究中的年度预测估算采用了各种不同的时间分辨率、预测期限（例如每年或每5年一次，至2030年、2040年或2050年）和一致性。为制作图表，研究计算了现有预测的总体平均值，为每项技术生成一条有代表性的趋势线。

由于年度预测并不一致，在贡献估算的样本量变化的某些区间，平均趋势偶尔会出现偏移。不过，大多数数据集的预测分辨率、间隔和由此产生的数据缺口是一致的。因此，根据可获得的估算，对所有数据采用了简单的线性插值，以生成每项研究首个和最后一个报告估算之间的年度数值。预测没有外推到任何研究各自范围之外；因此，未提供至2050年估算或开始时间晚于约2020年的来源被排除。

最终样本包括11个太阳能光伏插值数据集、9个风电数据集和9个电池数据集。根据这些来源计算出年度平均预测成本，并如图所示绘制。风电/太阳能的LCOE以每MWh发电量的美元计，而电池的CAPEX则以美元/kWh容量计，这是储能的标准成本指标。平准化度电成本（LCOE）指的是发电系统的全部成本在一段时间内的平均值，包括所有资本、运营和维护成本。电池本身不发电，[128]也没有提供相应的平准化储能成本（LCOS）。研究改为提供了代表前期投资的CAPEX。虽然它不能与按全生命周期发电量加权的LCOE直接比较，但[128]建模的、完整安装的4-h锂离子BESS系统级CAPEX成本预测涵盖了广泛而全面的系统边界，包括电池模块和所有系统配套成本，因此实际是最合适、最可比的指标，避免了数据换算、额外假设，以及超出[128]研究范围。

这些预测都代表多项研究的平均值，因此清楚反映了这些技术各自成本趋势的共识。不过，值得注意的是，[128]认为这些预测可能过于“悲观”。他们将其与根据多个实证来源汇编的历史全球市场数据比较，以突出预测成本的明显高估，以及近年来成本下降速度的明显低估。从大多数预测开始到现在（~2020-2024），公用事业规模太阳能光伏、陆上风电和锂离子BESS的平均预测值通常都高于历史数值。太阳能与预测值有一定吻合，但陆上风电和电池的预测成本远高于报告值。它们的成本下降速度都快于预期。如果这些超出预测的下降趋势持续下去，那么这些技术未来的实际成本可能会比当前预测显示的更低，进一步印证可再生能源和储能成本正快速下降，并将持续降至2050年。

额外资料

13-19

炸弹与反应堆

与核弹不同，核电站反应堆中的裂变链式反应会通过被动热反馈过程、控制棒、慢化剂和“低浓缩”燃料来调节。

反应堆选用的材料和燃料类型具有负反应性温度系数，也就是说，随着热量释放、燃料温度升高，堆芯的反应性会降低。更高的温度会增加原子的振动和间距，从而降低中子被捕获的可能性。这种自然特性让反应保持稳定和受控（即临界†），如果系统开始过热，也能提供一层内在安全保障。

控制棒由吸收中子、不可裂变的材料（通常是硼）制成，能吸收多余中子，帮助控制链式反应。操作人员可以通过升降控制棒来操控链式反应，从而调节反应堆的功率输出：升起控制棒会加快反应，插入控制棒则会让反应变慢或完全停止。控制棒采用失效安全设计，因此在紧急情况、设备故障或断电时会自动停堆。其他时候，它们用于微调，而大部分工作由被动反馈过程完成。

核反应堆通常以铀-235（U-235）作为堆芯的主要燃料，但其中也会有多种较不易“裂变”、或较难维持链式反应的其他铀同位素。燃料浓缩是指相对于其他同位素，提高堆芯内U-235浓度的过程。天然铀中只有约0.7%是U-235，其余大多是U-238。大多数民用反应堆使用低浓缩铀（LEU），通常浓缩至3-5%的U-235，以实现稳定、可控的反应和能量释放；而武器级高浓缩铀（HEU）含有约90%的U-235，足以产生快速、失控的链式反应，并迅速爆炸式释放制造核弹所需的能量。浓缩到这一水平很困难，也受到国际法规限制，其他情况下也会被严密控制和监测，以防止核扩散（见下文）。LEU或许足以造成大到让反应堆堆芯熔毁的功率激增，但远远不足以达到核弹的规模。

最后，许多核反应堆还配有慢化剂。U-235虽然更容易裂变，但一开始并不容易吸收高能中子，所以需要一点帮助。为了促进中子捕获，中子会通过慢化剂减速，通常是用于冷却反应堆堆芯的普通或“轻”水、氘化或“重”水（D2O），以及高纯度石墨，后两者都很擅长让中子减速而不吸收它们。

-

†当反应堆以稳定且受控的速率运行时，就称为“临界”。

54-56, 91-92

回收、后处理与核扩散

在运行过程中，反应堆燃料要么吸收中子并转变为其他较重元素，要么发生裂变，分裂成称为“裂变产物”的轻得多的元素，从而释放能量（以及更多自由中子）。

反应堆燃料中含量丰富的一种同位素铀-238 (U-238)，会捕获中子并最终转变为钚-239 (Pu-239)。Pu-239 的“易裂变性”高得多，也是世界各地核武器首选的主要同位素，因为它能维持快速且爆炸性的链式反应。随着 Pu-239 生成，它还会吸收更多中子，产生其他易裂变性较低的钚同位素（如 Pu-240），这些同位素会在反应堆内迅速积累，也不太适合用于武器 - 有点像 LEU。

乏燃料中含有这些钚同位素和其他裂变产物的混合物；一些剩余的未消耗铀；以及作为废物的贫化、易裂变性较低的铀同位素。科学家正在开发回收这些废物的方法，有些反应堆设计，例如快中子增殖反应堆 (FBR)，甚至可以将其重新用作燃料。通常采用 MOX（混合氧化物）燃料，其中含有铀和钚同位素的混合物，否则这些同位素不太适合用于常规反应堆。

FBR 的工作方式是用更快的中子轰击乏燃料，不使用任何慢化剂来减慢中子速度（因此需要更先进的安全功能）。这会推动更快的链式反应，能有效利用像 MOX 这样钚浓度更高、易裂变性较低同位素更多的混合燃料来释放能量。它们甚至能将这些同位素转变成新的、易裂变性更高的同位素，重新用作常规燃料。这被称为“增殖”，因为它产生的易裂变材料比原本存在的更多。因此，FBR 能提高燃料利用率，延长铀资源的使用寿命，并减少长期废物。

不过，核废料重新用作燃料前，必须经过化学后处理，去除裂变过程中积累的其他不可回收产物††。这些裂变产物也会吸收中子并干扰链式反应，降低反应堆效率，增加反应性控制的难度。反应堆还需要一定浓度的易裂变材料（如 Pu-239 或 U-235）来维持链式反应。后处理可以提取并浓缩这些材料制成 MOX，同时留下其他裂变产物。

后处理也可用于浓缩和提取 Pu-239 来制造核武器。不过，国际保障措施能有效防止钚被挪作武器用途，包括对国家和国际燃料循环活动实施严格的法规、监测和控制措施。民用反应堆通常使用慢中子，这些中子主要被 U-235（而非 U-238）吸收并引发其裂变，产生 Pu-239 的效率较低†††。从商业反应堆乏燃料中回收的任何钚，都具有混合的同位素组成，不适合制造武器。要获得纯净的武器级 Pu-239，就必须在其他同位素积累前，于反应堆循环早期将其提取并后处理。否则，分离过程会极其困难、复杂且昂贵，需要专门技术、大量资源和深厚专业知识。

核武器通常通过更实际的途径制造，例如铀浓缩，或使用专门反应堆，例如军事项目中专为生产武器级钚而设计和优化的反应堆。因此，民用核电站本身通常不被视为高扩散风险，因为很难从反应堆燃料中制造可用于武器的材料。不过，也有人认为风险仍然存在，国家可能会把民用核燃料循环作为获取或掩护开发核武器所需材料、技术和专业知识的来源。

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††与常规反应堆不同，FBR 可以消耗一些裂变副产物，例如次锕系元素（如镅和锔），它们是核废料中寿命最长、辐射毒性最强的成分之一。这被称为“锕系元素焚烧”。后处理厂可以分离出许多裂变产物，同时让锕系元素留在燃料混合物中被消耗，而不必储存。因此，FBR 还能进一步减少长期存在、可能有害的放射性废物。

†††FBR 专门设计为从 U-238 增殖 Pu-239 等易裂变同位素（这在常规反应堆中也会发生，但效率较低），可能带来更大的核扩散风险。不过，FBR 会在平衡循环中一边生产（增殖）Pu-239，一边在其生成时消耗（燃烧）它。而且和常规反应堆一样，任何尚未被消耗的 Pu-239 都会很快与其他同位素混合，或转变为 Pu-240 等易裂变性较低的钚同位素。FBR 将钚转化为可用燃料，而不是让它作为废物积累，也有助于减少可能被挪用或盗取的钚数量。

（根据 Nathaniel Read 博士于 2024 年提供的以下补充参考资料和评论）。

补充参考资料 & 延伸阅读

核燃料循环 & 浓缩

核燃料循环概览 | 世界核协会

铀浓缩 | 世界核协会

铀处理 | 采矿、精炼 & 浓缩 | 大英百科全书

快中子反应堆 | 世界核协会

废物回收

核废物管理的趋势与视角：回收、循环利用和再利用 | 核工程期刊

后处理 | NRC.gov

核燃料后处理 | 爱达荷国家实验室 | 美国能源部

乏燃料处理 | 世界核协会

放射性废物管理中分离与嬗变的影响 | IAEA

为可持续能源未来减少核废料并提高效率 | IAEA

当核废料是资产，而非负担 | IAEA

核控制与安全系统

核动力反应堆安全 | 世界核协会

核电站基本安全原则 | INSAG | IAEA

核安全 - 概览 | ScienceDirect Topics

极端事件下核能的韧性与安全 | IAEA

重构核监管 | Environmental Health Perspectives

安全壳系统 | IAEA

安全壳结构 - 概览 | ScienceDirect Topics

57-63

核能经济的未来

核电建设项目成本飙升，其中高达三分之二可归因于融资成本。这类项目通常由公用事业公司和其他投资者通过高利率项目融资来出资。前期投入成本高（主要是资本成本，以及为覆盖建设风险而购买的保险）、建设周期长又经常延期，新电站的总价在建设过程中可能涨至原来的三倍以上，导致许多项目被减记或取消。公众反对、漫长的退役过程和核能专业人才逐渐流失等复杂因素，更让情况雪上加霜。

不过，核能的融资方式可能很快就会改变。SMR 可通过更低的前期投入成本和更快的建设速度，解决许多这类问题。虽然本质上还是同一种技术，这些反应堆正在改变核电的资金承诺和经济模式，以至于许多国家如今正考虑将其接入大规模电网。AI 和数据中心运营商可能会直接付现金，大型化工、工业和矿业公司也是如此，从而避开利息。有了现场发电的核能，他们也能避开间歇性可再生能源的电网接入和配电成本。

（基于 Ian Farnan 教授和 Simon Middleburgh 教授在 2024 年提供的以下补充参考资料与评论）

补充参考资料与延伸阅读

降低新建核电成本 | 行业协议工作组 | NIA（已存档）

净零需要核能：核能增至三倍需要融资 | OECD 核能署

核电站建设成本超支的来源呼吁采用新的工程设计方法 | Joule

核安全与可负担的反应堆：我们能两者兼得吗？ | 原子科学家公报

建设延期让新建核电站比以往更昂贵 | Imperial 新闻 | 伦敦帝国理工学院

基础设施开发面临的公众反对评估：核电项目案例 | 2012 年建筑研究大会

公众对核能和核武器的看法：美国的态度关联 | 能源研究与社会科学

社会接受度挑战 | 为美国新型和先进核反应堆奠定基础 | 美国国家学院出版社

核电退役 | IAEA

核电站退役成本 | OECD 核能署

未来的核能劳动力 - 国际核能行业的机遇与需求 | 欧洲核能协会

美国核工程劳动力 | 应用临床医学物理学杂志

核技能缺口与我们未来的多样性 | 核能研究所

被浪费的核能：为何人们误解核能成本 | Mackinac 中心

核能的额外好处

  • 供热 - 由于基本热力学原理，核反应堆产生的热量中有三分之二被浪费了。热电联产是包括核能在内的多种发电方式中，越来越受关注且很有潜力的领域。废热可以回收并用于区域供热或海水淡化等配套用途，从而提高整体效率。废热还可用于为直接空气碳捕集供能，高温反应堆也因能为难减排的工业流程供热而越来越受关注。
  • 核医学 - 放射性同位素经常用于癌症和其他疾病的诊断和治疗。由于用于生产这些产品的反应堆老旧且正逐步关闭，放射性同位素正越来越短缺。投资核能并建设新的反应堆，或许有助于解决这个问题。

（基于 Nathaniel Read 博士在 2024 年提供的以下补充参考资料和评论）

补充参考资料与延伸阅读

热电联产中可再生能源整合的综合评述 | 能源转换与管理

医学中的放射性同位素 | 世界核协会

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