這是阿圖爾·科爾涅耶夫在切爾諾貝利極度放射性核素堆芯“象腳”處拍攝的照片

當前，世界正逐步轉向核能，這一轉變似乎成為滿足日益增長的電力需求、實現綠色能源轉型的可行路徑。目前，全球超過440座商用反應堆提供了近10%的電力，這種無碳能源在過去70年里持續為照明、實驗室和筆記本電腦等提供電力支持。然而，“核能”一詞仍讓人聯想到三哩島、切爾諾貝利及福島三起臭名昭著的事故。

1979年的三哩島事故、1986年的切爾諾貝利事故以及2011年的福島事故，這些事故(包括部分堆芯熔化、失控爆炸以及海嘯引發的故障)的根本原因均為水冷反應堆的冷卻損失。

在全球范圍內，為滿足電動汽車車隊、人工智能大型數據中心和工業熱能需求，各國爭相尋求清潔電力。在此背景下，了解核事故發生原因以及設計下一代反應堆以避免類似事件至關重要。

壓水反應堆或沸水反應堆為鋼制圓柱體結構，內部裝有200多個燃料組件，每個組件包含數百個鋯包覆管，管內填充鈾235顆粒。中子撞擊鈾235原子核時，原子發生分裂，在自持鏈式反應中釋放熱量和更多中子。流經反應堆核心的水同時發揮調節中子數量、保持反應穩定以及將熱量輸送到二次回路推動渦輪旋轉的作用。由硼或鉿制成的控制棒在燃料棒束間滑動，以微調輸出。若操作員需停止反應堆冷卻，會將控制棒完全“緊急”送入堆芯，在幾秒鐘內抑制裂變。但控制棒無法阻止衰變熱，衰變熱使每噸燃料棒在數天內保持數百攝氏度高溫。

當泵發生故障、管道破裂或海嘯淹沒備用發電機時，麻煩隨之而來。無強制循環，反應堆水開始沸騰，蒸汽產生導致燃料棒暴露，包殼溫度飆升至800攝氏度以上，鋯與蒸汽反應生成氫氣，安全殼內形成可燃氣云。三哩島事故中氫氣只是“噗噗”冒出，而福島事故中氫氣發生爆炸，炸毀了反應堆大廳。若冷卻系統無法恢復，鋯管破裂，顆粒傾瀉而下，形成溫度超過2000攝氏度的白熱堆，混凝土、鋼材和燃料融合成粘稠放射性熔漿，即堆芯，可燒穿反應堆底部。過程中，揮發性同位素逸出到空氣和水中，迫使大規模疏散，并留下持續數十年的禁區。

這三起遺留事故均涉及20世紀60年代設計的輕水反應堆。即將到來的第四代反應堆將用物理學原理改寫這一局面，使災難性過熱在物理上不可能發生。

熔鹽反應堆將鈾溶解在氟化鹽中，氟化鹽兼作冷卻劑。溫度升高時，鹽膨脹，中子散射，裂變速度自動減慢;若泵停止工作，重力將燃料排入被動冷卻的儲罐中。球床高溫反應堆將微小鈾核包裹在石墨“網球”中，即使無冷卻劑，陶瓷球溫度也不能超過1600攝氏度，遠低于損傷閾值，因此不可能發生熔毀。鈉冷或鉛冷快堆在常壓下運行，使用沸點高于1500攝氏度的金屬冷卻劑，消除水閃蒸成蒸汽的風險，快中子還能消耗長壽命廢物，減少放射性遺留物。

目前，示范項目正在推進。中國山東省200兆瓦高溫氣冷堆(HTR-PM)球床機組已于2023年12月并網發電，成為世界上首個投入商業運營的第四代核電機組。在美國，凱羅斯電力公司(Kairos Power)正在田納西州建造一座氟鹽試驗反應堆，目標是在2027年實現首次供熱。

從勞斯萊斯到總部位于溫哥華的納米核能公司等私營公司，都在押注緊湊型、工廠建造的小型模塊化反應堆(SMR)，這種反應堆有望在2030年代初為數據中心或微電網供電。

電動汽車強制令和人工智能超級集群加速了電力需求增長，其速度甚至超過太陽能和風能規模化發展。ChatGPT平臺上的每一個指令都會消耗GPU機架上的毫焦耳能量，該平臺每天處理十億次查詢，一天消耗的能源相當于帝國大廈一年半的能耗。數據中心運營商已開始考察核能基載發電，微軟已簽署意向書，計劃在賓夕法尼亞州三哩島核電站重新開放后利用其電力;亞馬遜則支持X-energy的Xe-100 SMR為未來服務器群供電。

即使是可安全運行的反應堆也需要燃料，一些先進設計需要高濃度低濃鈾(HALEU)，其鈾235豐度可達19.75%。目前只有俄羅斯能大規模供應HALEU，Centrus和Urenco等美國公司已在俄亥俄州和田納西州啟動離心機項目，但可能要到2030年才能達到滿負荷運轉。

資金是另一大障礙，大型反應堆耗資100億美元，審批和澆注耗時十年。盡管小型反應堆承諾可重復建造、成本更低，但監管機構仍需制定新型冷卻劑的規則手冊。此外，公眾接受度也存在差距，民意調查支持核能穩步發展，但當地反對聲音可能會在項目破土動工前就扼殺項目。

與普遍擔憂相反，一個人一生中用核電經過后處理后會產生約5克高放射性廢料，大約相當于兩塊方糖的重量。芬蘭、瑞典以及(最終)美國都已設計了深層地質處置庫，用于隔離這些廢料，時間遠遠超過同位素的危險性保留時間。更令人頭疼的是過去事故留下的熔融堆芯，核工業決心絕不重蹈覆轍。

若HALEU生產線規模擴大、SMR下線以及第四代巨型核電站相繼建成，到本世紀中葉，核能在全球電力中的份額可能會翻一番或兩番。分析人士認為，這是實現電網脫碳，同時為電動汽車充電樁、綠色氫電解器和人工智能集群供電所需的規模。這項技術已基本得到驗證，政府對核能的許可、投資和建設意愿依然存在。