尽管绿色能源作为全球能源结构中增长最快的部分，其足迹不断扩大，但由于效率和容量方面的瓶颈，它仍显著落后于传统的高碳能源。这些局限性阻碍了绿色能源成为主流能源选择。还有什么其他可扩展的、不排放二氧化碳2 的能源形式可以帮助我们在绿色能源实现大规模应用之前填补这一缺口？核能的零碳特性、经过验证的效率和可扩展性，是否使其能够成为一种过渡方案，并可能成为未来另一种可行且被广泛接受的能源选择？
除了零排放的优势外，目前全球约 450 座核电站的满负荷运行时间超过 90%，而煤电厂和太阳能电站的这一比例分别为 50% 和 25%。然而，全球仅有 10% 的电力需求由核电站供应（图 1）。为什么多年来核能的发展速度不够快？
尽管核能是一种经过验证且经济的能源生产方式，但由于与放射性及其对环境的影响相关的风险，它一直备受争议。切尔诺贝利和福岛核事故提醒我们，原子裂变需要完美的控制和警惕，微小的事故也可能演变成重大的灾难。
核反应与放射性
凭借超过 18,000 堆年的运行经验，核反应堆技术已非常成熟且多元化，并得益于数十年的技术改进，使得反应堆更加安全、可靠、耐用且高效。
为了发电，核电站使用铀同位素混合物，主要是238U 和 235U 作为燃料。大多数商用核电站使用低浓缩铀（LEU）燃料，即 235U 丰度在 3-5% 之间的铀，这与武器级应用所需的约 90% 235U 浓度的武器级高浓缩铀（HEU）不同。
一旦作为低浓缩铀燃料进入反应堆，235U 和 238U 会经历如图 3 所示的两种不同的原子转化路径。通过捕获中子，在 238U 转化为可裂变的 239Pu 的情况下，239Pu 和 235U 都会裂变成更小的原子核，即裂变产物。每次裂变反应还会释放出三个中子以及大量的热能和电离辐射。
这种原子转化或衰变既是福音也是诅咒。说它是福音，是因为相对于所涉及的少量燃料，它能产生巨大的能量，这些能量通过热交换器和高压水轮机提取以产生电力。说它是诅咒，是因为与嬗变相关的原子衰变也会产生电离辐射和粒子，统称为放射性。反应堆中用于发电的放射性是人们所期望的，但这种放射性会残留在被称为“乏燃料”的燃料废料中，如果得不到妥善的密封和控制，可能会造成危害。
在反应堆中经过 3-5 年的持续核活动后，燃料中可裂变同位素的浓度最终会降至维持发电所需链式反应的最低水平以下。乏燃料从反应堆中卸出，被归类为“高水平”放射性废物（HLW）。高水平放射性废物仅占放射性废物总量的 3%，但却占总放射性的 95%。因此，高水平放射性废物是全球放射性废物管理策略的主要关注点。
一座容量为 1000 兆瓦（足以满足超过一百万人需求）的普通核电站，每年产生 25-30 吨高水平放射性废物，且碳排放量为零。而一座燃煤电厂每年向大气排放 30 万吨灰渣和超过 600 万吨二氧化碳2。然而，通过对乏燃料进行后处理和再利用来减少核废料的足迹和放射性强度，将有助于解决这一复杂的危险废物管理难题。
核乏燃料回收方案
核乏燃料后处理技术自 20 世纪 40 年代末就已经存在。该技术原理明确且经过了技术验证，但仅有少数国家投资于后处理领域。法国和俄罗斯是目前进行乏燃料后处理与再利用的两个主要国家。平均而言，约 95% 的乏燃料废物是铀（其中大部分为 238U），1% 是钚，其余则是各种原子序数较低的裂变产物和次锕系元素（图 4）。乏燃料后处理技术能够将铀和钚同位素从其他锕系元素和裂变产物中分离出来。
目前最主要的后处理方案被称为 PUREX（钚铀萃取法）。PUREX 采用湿法冶金分离技术，将乏燃料分离为三个阶段：
- 铀同位素
- 钚同位素
- 裂变产物及次锕系元素
由于存在这些次锕系元素以及高放射性、中等寿命的裂变产物（例如 90Sr 和 137Cs，其放射性半衰期约为 30 年），第三阶段的产物被视为高放废物（HLW）。PUREX 的主要优势在于能够回收大量可利用的铀（否则这些铀将被视为废物），并显著减少高放废物的体积。
虽然 PUREX 减少了废物量，但并未解决其放射性问题。此外，将 239Pu 从其他锕系元素中分离出来，引发了核武器扩散的担忧。
世界各地已提出并实施了多种 PUREX 工艺变体，旨在解决高放废物的放射性和钚扩散风险。这些 PUREX 变体包括将 239Pu 与次锕系元素混合，使其无法被武器化，同时制成可接受的后处理锕系燃料混合物。其他变体则包括将铀、钚和所有超铀元素（原子序数高于铀的元素）混合在一起，仅将裂变产物作为废物处理。
考虑到乏燃料棒从反应堆卸出时，其中超过 90% 的铀仍处于“未燃烧”状态，回收高放废物具有重要意义。回收未使用的铀和钚可额外产生约 25-30% 的电力。截至 2020 年底，全球商业核反应堆已累计产生 40 万吨乏燃料，其中约 12 万吨（30%）已进行后处理并作为核燃料重新利用。
核反应堆设计的进展
近期核反应堆设计的进步提高了能源生产的效率和安全性。CAS Content Collection™ 显示，自 2018 年以来，相关专利和期刊活动显著增加，表明人们对该领域的兴趣重燃，这主要得益于亚洲机构的推动（图 5a 和 5b）。
图 6 展示了与新型先进核反应堆设计相关的出版物数量。数据证实，围绕这些新型核反应堆技术的研究活动正日益活跃。
核能的未来潜力
核能复兴一直是一个持久的话题，但多重障碍和挑战使得核能难以实现几十年前所寄予的厚望。高昂的前期资本投入、不断变化的监管政策、成本超支以及政治两极分化，使得核电站的交付成为一场长达十年的艰难历程。即便核能的优势和潜力已得到证实且不可否认，这些因素仍严重阻碍了政府和投资者对核能的考量。近期《华尔街日报》的一篇文章也探讨了其中的部分挑战以及核能技术领域的最新发展。
对无碳能源的需求、新型反应堆技术的进步以及乏燃料回收与再利用的新方案，有望推动核能成为应对全球气候变化挑战的关键工具。
感谢 Elaine McWhirter 提供的科学咨询。
核能动画参考资料
国际能源署（IEA），《世界能源展望》。https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022（访问日期：2023-01-09）
世界核能协会。 https://world-nuclear.org/nuclear-essentials/how-can-nuclear-combat-climate-change.aspx （访问日期：2022-09-09）
斯洛文尼亚核电站（NEK）。 https://www.nek.si/en/longevity-for-sustainability/production-performance/high-energy-density-of-uranium-is-one-of-key-advantages-of-nuclear-energy （访问日期：2022-09-09）
世界核能协会。 https://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/fuel-recycling/processing-of-used-nuclear-fuel.aspx （访问日期：2022-09-09）国际原子能机构，
世界能源展望。 https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022 （访问日期：2023-01-09）
