.核能发电不会直接排放温室气体，且生命周期内排放量很低。
.美国有100个核电反应堆，在全球核电装机容量中占据最大份额（27%）。
.与其他任何形式的发电相比，美国的核电拥有最高的容量系数，即单位时间内实际输出量与最大可能输出量的比率，大约在90%左右。
.虽然铀储量排在世界前十，但美国商用反应堆所使用的铀中，90%都是靠进口，其中四分之三来自俄罗斯、加拿大、澳大利亚和哈萨克斯坦。
.日本2011年的核灾难，使得许多国家开始重新考虑核战略。值得注意的是，发展中国家将作为推动核电继续发展的主力军。
核电基础知识
核能最主要的用途就是用来发电。2011年，全球31个国家的核电装机容量为3690亿瓦特，占全球总发电量的11.7%，且不直接产生温室气体。2013年，核能发电已占美国发电总量的19.4%。
图1 世界核电装机总量
来源：国际能源署（International Energy Agency）
核能由核裂变产生。核裂变是由中子撞击一个质量非常大的元素的原子核后所引发的链式反应，撞击后大质量的原子核会分裂成几个质量较小的原子核，并以热量与辐射的形式释放能量。1克铀核聚变释放的能量相当于燃烧3吨煤所产生的能量。
图2 核裂变过程来源：Visual Dictionary Online
在精确可控的条件下，核聚变是一个持续的链式反应，它释放出足够的热量产生蒸汽，蒸汽推动涡轮产生电力。
核反应堆
图3 压水反应堆原理示意图
来源：美国核能管理委员会（National Regulatory Commission）
图4 沸水反应堆原理示意图
来源：美国核能管理委员会
美国所有的核电站都是轻水反应堆，因其使用普通的水来发电故称为“轻水”，加拿大则是重水（已知为氧化氘）反应堆。轻水反应堆的种类有两种：压力水冷反应堆和沸水反应堆。在压水堆中，水流通过反应堆芯时巨大的压力，使其不会气化成蒸汽，而是通过一个单独的水流回路释放热量产生蒸汽，从而推动发电机。这样的设计，可以将大部分的辐射都控制在反应堆中。然而，在沸水堆中，水在反应堆槽中吸收热量直接气化为蒸汽来推动发电机。
美国有65个压水堆和35个沸水堆。通常，核反应堆根据反应堆是第几代或者反应堆技术的发展水平来分类。
.第一代：这一代反应堆是雏型，第一批商用核电站在20世纪五六十年代出现，现在几乎找不到仍在运行的。
.第二代：这一代反应堆大约建于20世纪七八十年代，已经商业化。
.第三代和第三代升级版：这一代反应堆出现于20世纪90年代和21世纪初。在设计上需要的组件更少，远没有第二代那么复杂。采用被动式的安全系统是它们的特征，即不再依靠操作员的人工操作和电子信息的反馈，这样在遇到紧急情况时就能更加安全地停止反应堆的工作。由于设计更加简单，核电站占地更少，建设成本也就降低了。中国已经建有第三代核反应堆并有一些项目在建，美国也有项目在建。
第四代：这一代反应堆在设计上更加先进，其在安全性、经济性、防止核扩散以及减少核燃料废物增加循环利用上等方面做出了革命性改进，预计2030年进入商业化应用。
核燃料
铀是自然存在的一种重金属元素，最常见的同位素是铀238，但它不能用来进行核链式反应。核电站目前主要使用另一种同位素铀235作为链式反应的原料。要把自然界中直接可得的铀转化为核发电可用的铀燃料，需要做一些加工处理。
图5 核燃料循环
来源：美国国会研究处（Congressional Research Service），2011年
http://assets.opencrs.com/rpts/RL34234_20110302.pdf
铀可以通过多种方法来开采，如露天矿和地下矿。由于成本低廉，美国的大多数铀矿都采取就地开采的办法，用泵从地下将溶解在地下水中的铀抽出。挖掘出来后，铀矿将被磨碎并用酸性溶液过滤，得到高纯度的二氧化铀粉末，也被称作“黄饼”。
核电站的操作员通常会买下黄饼，然后签订合同交给第三方对它进行浓缩。世界上有5家铀浓缩的商业企业，它们分别位于美国、加拿大、法国、英国和俄罗斯。
浓缩之后，铀被注入陶瓷的燃料芯块，并装进燃料棒中。核电站反应堆芯中使用的一个燃料单位就是这样的一捆方形或圆形的燃料棒。
当一份核反应堆燃料被用尽了，或者说没法再进行核链式反应时，它就必须被替换。通常标准的反应堆燃料替换周期从12个月到24个月不等，反应堆将停产几周来进行燃料补给和设备维护。
核废料中大部分为贫化铀（高达96%），还夹杂一些高放射性的元素，也就是核裂变的产物（比如铯和锶）及钚和镅。其中，头一个百年核废料的衰变与放射性主要以核裂变产物为主，其他成分在这之后还会延续几千年。
核燃料循环
传统的一次性燃料循环（美国目前采用的方法）包括浓缩铀燃料的使用以及核废料的处理。另外还有两种循环方式可供选择，即单程再利用法和全封闭循环法，后者是将来可能的技术。单程再利用法（目前在法国被使用）包括核废料的再加工，即将易裂变的铀和钚从废料中分离出来。这些物质可以被回收，再次做成核燃料。这种方法将减小需要处理的核废料的体积，但不一定能减少核废料的衰变热和放射性。
麻省理工学院的一项研究表明，单程再利用这种方法的成本要比一次性燃料循环的成本高。此外，全封闭循环法带来的好处无法抵消随之而来的安全性、经济性和环境保护问题。在全封闭循环法的一种建议方案中，将核废料和分离出来的铀、钚和其他具有长期放射性的元素一起再加工做成核燃料，这种方法减少了衰变热和放射性，降低了最终的核废料中放射性同位素的含量。
然而，这种方法下的核废料仍然需要长期处理，因为其中的核裂变产物和加工过程中产生的废料仍然具有长期性，还需要永久的地质处置。全封闭循环法还需要更先进的快速燃烧反应堆，这项技术目前还没有投入商业运营。从理论上讲，快堆产生的核废料可以被反复加工直到循环过程中所有的铀都转变为有用的燃料，而所有有用的燃料都完成了聚变。
特殊的挑战
虽然核能发电不直接排放温室气体和其他空气污染物，全过程中总体的温室气体产生量也比化石燃料要低，但核发电具有一些特殊挑战和风险。其中，最大的风险（虽然发生概率很低）就是堆芯熔毁。
自从20世纪50年代核能时代大幕开启以来，全球核电行业经历了三次重大的核反应堆事故和几次燃料循环设备故障事件，其中最近的一次是2011年日本福岛核反应堆事故。核反应堆的损坏对公共安全是一个巨大威胁，因为其放射性可以污染空气和地下水。迄今为止，包括商用核电反应堆在内美国还没有发生一起放射性直接伤害或致死的公共安全事件。
在美国，人们还对废燃料棒中放射性废弃物的存储问题感到担忧。在法国，废燃料棒中的钚元素被分离出来和铀一起加工，再次做成核反应堆的燃料。美国目前还没有采取对废燃料进行再加工的做法，一是担心废燃料中的钚元素会造成核武器的扩散，二是废燃料再加工的成本比一次性燃料循环要高。
目前,对废燃料棒的处理工作在核电站就地展开，先将废燃料棒放进一个特别设计的水池中冷却几年，然后再用干燥的储藏容器将它就地封装起来。就美国而言，关于这些核废料的储存是一个重大的公共政策问题。
在全球范围内，人们担心核武器会传播开来，也就是核扩散。国际原子能机构这样的组织监控着全球范围内的核项目，以确保它们的安全和透明。此外，第四代核能系统国际论坛也为未来核能的发展选定了6种反应堆技术，以防止核原料被挪用到核武器上。
铀储备
三种明显的分类，描绘了关于铀资源存在状况不同水平的信心。合理确定资源，指能够利用现有开采技术和采矿方法经济地获取的铀估计量。在美国，“储备”可以与合理确定资源互换使用。
估算额外资源是在合理确定资源基础上，再包括主要以未开发矿床的地理迹象为基础的可能铀资源，以及定义明确的矿床附近尚未勘察的矿床。除了估算额外资源外，推测资源包括主要根据直接证据和地质推断存在的铀。
期货价格包括未来所有生产中将会产生的运营和资金成本，用来估计能够从不同地质环境中提取的铀矿总量，并且独立于这些储备产出铀的市场价格。1975年起，由于铀勘探支出扩大，世界储备估量上涨了将近三倍。2009年经济合作与发展组织的核能机构报告称，以每磅59美元的期货价格，用于浓缩氧化铀的全球铀储备大约有77亿磅。
在此期货价格上，澳大利亚拥有最多的已知可采资源26亿磅，几乎占了世界总量的三分之一。美国以4.57亿磅排名世界第六。相比之下，以每磅50美元的价格，美国能源信息署估计，美国有5.39亿磅铀“黄饼”可供开采。
图6 已知可开采的铀资源
来源：世界核能协会（World Nuclear Association）
图7 美国主要铀资源储备位置
来源：美国能源信息管理局（US Energy Information Administration）
美国大部分的铀储备在其本土西部。2008年，怀俄明州的铀储备总量全美第一，新墨西哥州排名第二。综上所述，这两个州的储量占最高可达每磅100美元的铀“黄饼”估计可用储备的三分之二，占低于每磅50美元的铀“黄饼”估计可用储备的四分之三。
铀生产
2012年，世界铀资源出产了将近1.29亿浓缩铀。其中，大约37%来自哈萨克斯坦，15%来自加拿大，12%来自澳大利亚。
图8 世界铀矿产量
来源：世界核能协会，2014年
大约45%的生产来自原地浸析采矿，28%来自传统的地下采矿，17%来自露天采矿，剩下的来源于其它采矿活动的副产品。上世纪90年代以来，世界整体生产都有所增长。
美国的铀生产和开采在过去60年发生了巨大变化。上世纪50年代的铀生产，最初是由政府激励的，随着关键储备的发现，造就了当时的繁荣。60年代浓缩铀生产有所下降，但在70年代的能源危机期间又上升了，在1980年达到顶峰。2011年，来自8个矿床的生产量为400万磅。
图9 美国铀浓缩物产量
来源：美国能源信息管理局，2014年
铀的市场需求
图10 全球核电装机总量（GW）
来源：美国能源信息管理局，2014年
电力领域是核能的主要客户，小部分用于船舶推进和宇宙飞船。从1980年到2011年，全球核电装机量以每年3.3%的增速增至369GW。同期美国的装机量以每年2.2%的增速增至101GW。
美国核能发电能力占世界总核能发电能力的27%。2012年，31个州65家发电厂的100个核反应堆供应全美电力的19%（大约7690亿千瓦时）。
2012年，美国民用核电反应堆业主和经营者购买了相当于5800万磅（29000吨）的铀。美国核电厂购买的铀83%来源于进口。2012年，来自澳大利亚和加拿大的铀一共占铀采购的36%，来自哈萨克斯坦、俄罗斯和乌兹别克斯坦的铀占29%。
一般认为，如果需求大幅增长超过当前和预计水平，几十年内铀资源仍然充足。在民用核电的头三十年里，铀生产多于世界需求。结果导致大量军用和民用铀库存，在随后一些年才使用。
铀市场动态
加工成本占铀最终成本的88%，但是不像化石燃料发电，铀本身的成本只占核电总成本的小部分。
如果燃料成本增长一倍，煤的发电成本将增加50%以上，天然气增加90%以上，而核能只增加10%到15%。
铀市场有很多特征能将它区别于其他能源和商品市场。由于铀的应用限制很多（即核武器和核电厂燃料），只有有限数量的供应商和客户。
此外，由于历史的原因，铀分别在两个市场上进行全球贸易。美洲、欧洲和澳大利亚是一个市场，俄罗斯、东欧国家和中国等是另一个市场。
冷战期间，铀用于核武器是首要需求驱动。然而，冷战结束后，铀市场开始更贴近一个传统商品市场了。
随着反应堆订单日益增多，上世纪70年代初期铀的世界现货价格有所增长，但在1979年三哩岛事故后大幅下降。特定行业事件（如核电站或核处理设施事故）或二级供应来源涌入，对铀价产生很大影响。
2003年底开始，在一段持续相当长的低价期后，全球铀价开始上涨。这是由于新兴经济体，如中国、印度等发展核电，还有就是对于核能的共识：可以在几乎没有温室气体排放情况下供应可靠基本负载电力。既然铀不像其他商品那样在公开市场上贸易，买卖双方就进行个别协商，价格由独立市场顾问Ux Consulting和Trade Tech发布。
图11 铀现货价格
来源：Cameco，2014年
在美国，浓缩铀市场的区别在于原产国和合同类型。2012年，所有购买的加权平均价格是每磅54.99美元。以每磅51.04美元的价格销售，现货合同占14%，剩余的是以每磅55.65美元的长期合同出售。2004年以来，平均价格上涨了4倍以上。
图12 美国民用核电反应堆所有者和运营者购买铀的年加权平均价格
来源：美国能源信息管理局
核电的前景
至2040年，全球核能发电能力预计以平均每年2.1%的增速，增至717GW。发展中国家的增长，预计将高于发达国家7倍以上。
至2040年，美国核电站的发电量预计以平均每年0.2%的增速，增至将近8110亿千瓦时，但在总发电量中占比预计下降到16%。
尽管1997年和1998年有5家工厂被淘汰，由于现存工厂发电容量的修改，现在的核能发电容量比1996年稍高一些。
Exelon是美国最大的核能发电运营商，期望在2017年之前通过修改一些现有工厂定额来加上额外的1300MW核能发电容量。它还计划，在2019年末淘汰Oyster Creek核电站（636MW）。
TVA打算在2015年Watts Bar 2号机组上线的时候扩大发电容量。美国核管理委员会批准了两项扩建，分别是南方电力公司（Southern Company）2012年2月Vogtle核电站双反应堆扩建和Scana公司2012年3月Summer核电站双反应堆扩建。
图13 2010-2040年世界各地区核电净发电量来源：美国能源信息管理局
《2013国际能源展望》
图13 2010-2040年世界各地区核电净发电量来源：美国能源信息管理局，《2013国际能源展望》
从2007年到2009年，一些公司提交了新反应堆许可申请。2012年，有涵盖8个新的核反应堆的三项申请，包括新的创新性模块式反应堆。对美国核能重新燃起的兴趣是由旨在支持清洁能源技术的政府贷款担保激发的。尽管核能在世界上广泛应用，但日本的核事故使得很多国家重新评估他们的核计划。
正是鉴于这次灾难，日本决定停止2030年前建设14个新核反应堆的计划，但仍然计划未来重启反应堆。德国的政策制定者正在推进2022年前关闭所有核反应堆的计划，瑞士也决定不再替换现有的5个反应堆。总的来说，随着对核安全的关注增多，受发展中国家驱动，预计核能的使用将增多。(end)
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