绿色能源作为全球能源结构中增长最快的部分，虽然仍然在持续发展，但由于效率和产能障碍，它仍然明显落后于传统的高碳能源选项。 这些限制阻碍了绿色能源成为主导的主流能源选择。 绿色能源在现实中大规模应用之前，还有其他可扩展的、不排放二氧化碳的能源可以帮助我们缩小这一差距？ 核能的无碳特性、经过验证的效率和可扩展性能否使其成为过渡的候选能源，并可能成为另一种可行的、被广泛接受的未来能源选择？
除了零排放的蓝图，目前约 450 座核电站的满负荷运行时间超过 90%，而燃煤电厂和太阳能电厂的满负荷运行时间分别为 50% 和 25%。 然而，全世界只有 10% 的电力需求是由核电站提供的（图 1）。 为什么核能多年来没有更快地增长？
尽管核能是一种经过验证的、经济的能源，但由于其与放射性有关的风险及对环境的影响，核能的形象备受争议。 切尔诺贝利和福岛事件提醒我们，原子裂变需要完美的控制和警惕，否则小事件可能变成重大灾难。
核反应和放射性
拥有超过 18,000 多个反应堆年的经验，核反应堆技术是成熟的、多样化的，并受益于几十年的技术改进，使反应堆更加安全、可靠、持久和高效。
为了发电，核电站使用铀同位素的混合物，主要由 238U 和 235U 作为燃料。大多数商业核电厂使用低浓缩铀 (LEU) 燃料，即 235U 浓度在 3-5% 之间的铀，而武器级应用所需的高浓缩铀 (HEU) 的 235U 浓度约为 90%。
一旦作为 LEU 燃料进入反应堆，235U 和 238U 采取两种不同的原子转换途径，如图 3 所示。通过捕获一个中子，在 238U 转变为可裂变的 239Pu 的情况下，239Pu 和 235U 都会裂变成更小的核，即裂变产物。 每一个裂变反应也会释放三个中子和大量以热和电离辐射形式存在的能量。
这种原子的转变或衰变是好事也是坏事。 好的一面，因为相对于所涉及的少量燃料，它产生了大量的能量，这些能量将通过热交换器和高压水轮机来发电。 而坏的一面，因为与原子衰变相关的嬗变也会产生电离辐射和粒子，统称为放射性。 为了发电，反应堆的放射性是必要的，但这种放射性存在于燃料废料中，被称为“乏燃料”，如果不加以遏制和控制，可能会造成危害。
在反应堆中连续进行3-5年的核活动后，可裂变同位素的燃料浓度最终会降到最低水平以下，以维持用于发电的链式反应 乏燃料从反应堆中卸下来，被归类为“高”放射性废物(HLW)。 放射性废物只占放射性废物总量的3%，但却占废物总放射性的95%。 因此，高放废物是全球放射性废物管理战略的一个主要重点。
平均容量为 1000 兆瓦的核电站（足以满足 100 多万人需求），每年产生 25-30 吨 的高放废物，零碳排放。 一家燃煤电厂每年向大气中释放 30 万吨煤灰和 600 多万吨二氧化碳。 然而，通过对乏燃料的再加工和再利用来减少核废料的存在和放射性，将解决一项复杂的危险废物管理挑战。
核乏燃料回收方案
核乏燃料后处理技术自20世纪40年代末就存在了。 它已得到充分理解和技术证明，但只有少数国家投资于后处理。 法国和俄罗斯是对废燃料进行后处理和再利用的两个主要国家。 平均来说，大约95%的乏燃料废物是铀（大部分是 238U），1%是钚，其余是各种各样的裂变产物，原子序数较低，锕系元素较少（图 4）。 乏燃料后处理技术可从其他锕系元素和裂变产物中分离铀和钚同位素。
主要的再处理选项称为 PUREX（钚和铀还原提取）。 PUREX采用湿法冶金分离技术将乏燃料分成三个阶段：
- 铀同位素
- 钚同位素
- 带有次锕系元素的裂变产物
第三阶段被认为是高放射性废物，因为存在少量锕系元素和高放射性、中等寿命的裂变产物（即放射性半衰期约为 30 年的 90Sr 和 137Cs）。 PUREX的主要优点是回收了大量的可用铀，否则这些铀被认为是废物，并显著减少了高放射性铀的体积。
虽然 PUREX 减少了废物量，但并没有解决其放射性问题。 此外，239Pu 与其他锕系元素分离会引起核武器扩散问题。
PUREX工艺变体已经在世界各地提出并实施，以解决高放射性物质的放射性和钚扩散风险。 这些 PUREX 改型包括混合 239Pu 与少量锕系元素，将防止它被武器化，同时创造可接受的再处理锕系元素燃料混合。 其他变体包括混合铀、钚和所有超铀元素(比铀原子序数更高的元素)，留下裂变产物作为唯一的废物。
当考虑到乏燃料棒从反应堆中卸载时，超过90%的铀是“未燃烧”时，HLW回收是有意义的。 回收利用未使用的铀和钚可以多产生25-30%的电力。 截至 2020 年底，全球从商业核电反应堆中产生了 40 万吨废旧燃料，其中约 12 万吨 (30%) 被重新加工和用作核燃料。
核反应堆设计的进展
核反应堆设计的最新进展提高了能源生产的效率和安全性。 CAS 内容合集™显示，自 2018 年以来，专利和期刊活动显著增加，这表明这方面的研究兴趣被重新燃起，主要是由亚洲的机构推动的(图5a和5b)。
图6显示了与新的先进核反应堆设计相关的出版物数量。 这些数据证实了围绕这些新的核反应堆技术的研究活动正在增加。
核能的未来潜力
核能的复兴一直是一个永恒的主题，但一些障碍和挑战仍然使核能难以实现几十年前人们给予的厚望。 巨额的前期资金、不断变化的监管规定、成本超支以及政治上的两极分化，使得核电站的交付经历了长达十年的曲折旅程。 这已经严重阻碍了政府和投资者对核能的考虑，即使其优势和潜力得到证实且不可否认。 《华尔街日报》中的一篇文章同样也谈到了在核能技术领域存在的种种挑战及近期进展。
对无碳能源的需求、新反应堆技术的进展，以及新的乏燃料回收和再利用替代方案，都可能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 提供科学咨询。
核能动画参考文献
IAE, World Energy Outlook. https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022（引用日期：2023-01-09）
World Nuclear Association. https://world-nuclear.org/nuclear-essentials/how-can-nuclear-combat-climate-change.aspx（引用日期：2022-09-09）
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