摘要：能源问题的作家和演讲者Gail Tverberg在oilprice网上发表一篇文章“The Future of Nuclear Power is Wrought with Challenges“，分析了核能的未来面临许多挑战。

——世界正面临着日益严重的铀短缺问题，铀是核电站的基础燃料。

——美国在浓缩铀方面严重依赖俄罗斯及其盟友，这造成了地缘政治风险。

——回收用过的核燃料既昂贵又复杂，还面临着重大的环境和安全挑战。

人们很容易产生这样的印象，即提出的新型模块化核发电机组将解决核发电的问题。也许它们将允许以更低的成本生产更多的核电，并大大减少乏燃料的问题。

能源问题的作家和演讲者Gail Tverberg在oilprice网上发表一篇文章“The Future of Nuclear Power is Wrought with Challenges“，分析了核能的未来面临许多挑战。

在分析形势时，Gail Tverberg发现与核能发电有关的问题比大多数人所认为的更为复杂和紧迫。Gail的分析表明，世界已经在处理“铀矿生产的铀不够用”的问题。特别是，美国的铀产量在1980年左右达到“顶峰”（图1）。

图1 美国能源情报署（EIA）制作的图表显示了美国氧化铀的产量。

多年来，美国能够降低核弹头的混合度（包括从俄罗斯购买和从自己的供应），以解决其铀供应短缺问题。

图2 来自ArmsControl.org的图表显示了1945年至2023年估计的全球核弹头库存。

今天，核弹头的库存已经下降到相当低的水平。很少有弹头可用于向下混合。这造成了对铀供应的限制，直到现在才开始受到影响。

核弹头除了提供铀之外，重要的是它们提供铀-235的浓缩来源，铀-235是铀的同位素，可以维持核反应。随着弹头供应的耗尽，美国面临着第二个大问题：开发一种生产核燃料的方法，这种核燃料可能主要来自乏燃料，其铀-235的浓度要高得令人满意。如今，俄罗斯是浓缩铀的主要供应国。

美国的计划是利用政府研究经费启动新型小型模块化核反应堆的研究工作，这种反应堆将比目前的核电站效率更高。这些反应堆将使用一种新的燃料，除了从俄罗斯购买外，这种燃料的铀-235浓度比现有的更高。美国还将获得拨款，开始在美国国内生产高浓缩铀燃料。人们希望，这些高浓缩铀中的大部分可以来自回收乏燃料，从而有助于解决乏燃料供应的问题。

Gail的分析表明，虽然先进的模块化核反应堆在理论上可能长期有益，但它们无法足够快地解决美国和其他西方国家的问题。Gail预计，将于2025年1月上台的特朗普政府将把这个项目视为一种无用之物。

图3 根据英国能源研究所出版的《2024年世界能源统计评论》数据计算的世界核能发电量

尽管在2011年日本福岛核反应堆受到海啸影响后，世界核电发电量有所下降，但自2004年以来，世界核电产量几乎持平（图3）。

图4 根据英国能源研究所出版的《2024年世界能源统计评论》数据得出的美国核能发电量。

美国核电生产（图4）显示了类似的模式，只是自2021年以来的产量有所下降。

Gail认为，自2004年以来，核能电力供应一直相当平稳的一个主要原因是，核能发电总量受到已建成核反应堆可用铀燃料数量的限制。

铀的价格可能会上涨，但这并不一定会很快增加大量（或任何）供应。开发一个新的铀矿需要几年的时间。

从理论上讲，对乏燃料进行再处理以生产铀和钚也是可能的，但迄今为止进行的数量很少。

图5 世界核协会（WNA）图表中的世界铀产量和反应堆需求（吨铀）。

显示“反应堆需求”（图5）的黑线在某种意义上与世界核电发电量（图3）相当。这两个数字都显示了自2004年以来相当平缓的线条。这种关系暗示，在过去20年里，使用铀燃料发电的效率没有显著提高。

图5显示了各国的铀产量与“反应堆需求”之间的巨大差距。增加供应的最大单一来源是从核弹中提炼的铀。EIA报告称，美国在1995年至2013年期间，根据“百万吨到兆瓦”计划，为此目的从俄罗斯购买了大量核弹头。EIA还报告说，在2013年至2022年期间，一项采购协议允许美国从俄罗斯购买商业来源的低浓缩铀，以取代一些低混合的核弹头材料。此外，美国有一些自己的核弹头，可以进行混合。正是这些不同来源的铀供应的可用性，使得美国的核能发电量在2004年至2023年期间保持相对平稳，如图4所示。

美国自己的铀开采在1980年左右达到顶峰，现在接近于零（图1）。世界上的弹头供应现在已经耗尽了85%以上，只剩下很少的储存的高浓缩铀来混合（图2）。

一个隐藏的问题是，目前的铀产量主要来自俄罗斯及其密切的附属公司。图5的数据显示，2022年的铀产量由俄罗斯的亲密盟友主导（共占总产量的55%，其中来自哈萨克斯坦（占总产量的43%），乌兹别克斯坦（占总产量的7%）和俄罗斯（占总产量的5%））。美国（几乎为0%），加上其密切附属国家加拿大和澳大利亚的产量，仅占世界铀产量的24%。俄罗斯及其附属公司与美国及其附属公司之间的这种不平衡应该引起关注。

美国正试图对俄罗斯实施制裁。美国能源信息署（EIA）报告：

“未来几年，美国反应堆使用的铀的来源可能会发生变化。（2024年）5月，美国禁止从（2024年）8月开始从俄罗斯进口铀产品，尽管企业可以在2028年1月1日之前申请豁免。

这似乎意味着，摆脱对俄罗斯铀的依赖必须在三年多一点的时间内完成。考虑到进行这种过渡的困难，这是一个很短的时间框架。

EIA的数据显示，到2023年，美国的铀供应量只有4.6%来自美国本土。（这可能是部分或大部分降低混合的核弹头）。从俄罗斯购买的铀占11.7%。哈萨克斯坦提供了20.6%的铀，乌兹别克斯坦提供了9.5%。在美国的盟友中，加拿大提供了14.9%，澳大利亚提供了9.2%。

世界核协会（WNA）是核能的倡导者；它不能暗示铀供应有任何问题。WNA认为，如果铀短缺，价格将会上涨，更多的铀将会供应。但即使价格上涨，新矿投产也需要几年时间。价格必须保持在高位，否则企业不会追求看似有机会的东西。

图6 《贸易经济学》图表中的历史铀价格

OurFiniteWorld.com的读者已经看到，石油价格往往会飙升和暴跌。它们不会长时间保持在高位，因为如果价格居高不下，用石油制成的最终产品往往会变得难以承受。Gail预计铀也会出现类似的问题。

WNA提到的高铀开采的必要价格门槛是2021年每公斤130美元。巧合的是，当使用2024美元转换成美元/磅时，这与图6中的当前价格线非常接近。的确，价格有时会反弹得很高。问题是如何让它们长时间停留在虚线的高度，以支持矿井几十年的使用寿命。几年前，经济学家曾预测油价将达到每桶300美元，但他们失望了。现在油价低于每桶75美元。

铀矿开采潜力最大的国家是澳大利亚。到2022年，它的铀产量仅占世界的9%，但据报道，它拥有世界剩余储量的28%。澳大利亚需要持续走高的价格才能开始开采新矿。

如果开发出改进的提取技术，也有可能提供更多的铀。

世界似乎已过了原油峰值。就其本身而言，石油峰值问题可能会限制新的铀开采和运输。

可以估计目前正在进行的乏燃料再循环的数量。如上面的图3显示，需要约6.5万吨铀来满足现有核能发电的需求，截至2022年，每年的供应缺口约为26%。根据Gail所能收集到的信息，现有的铀和钚的再循环大约占燃料总需求的6%。因此，到2022年，今天的乏燃料回收或许可以将铀供应缺口“仅”减少到年核燃料需求的20%。有一些乏燃料的再循环，但相对于所需的量来说是很小的。

建造从乏燃料中回收铀的装置似乎存在几个问题：

1）. 比开采更多的铀成本更高

2）. 来自回收厂的污染问题

3）. 其产量有可能用于制造核弹头

4）. 核电站内发生核事故的可能性

5）. 在后处理电厂的使用寿命结束时，现场残留的放射性物质，因此需要使这些电厂退役

6). 由于问题(2)、(3)、(4)和(5)，许多抗议者可能会破坏建设和运营。

经过几次不太成功的尝试后，美国于1977年宣布回收乏燃料为非法。一旦安排购买俄罗斯弹头，对弹头进行混合处理就比对乏燃料进行再处理要便宜得多。《今日物理》最近报道了以下关于美国再处理的情况：

纽约西谷的一家电厂在1972年关闭前对乏燃料进行了六年的再处理。为了扩大电厂规模，厂主们不愿考虑为满足新的监管标准而进行升级所需的成本。1977年，在卡特政府的禁令下，南卡罗来纳州巴恩韦尔的一座再处理厂的建设被叫停。

自1993年以来，日本一直试图在六所町（Rokkasho）建造一座商业乏燃料再处理厂，但由于成本超支和许多团体的抗议，该项目一直存在巨大问题。有关该工厂实际完工时间的最新估计是2026或2027财年。该工厂每年将处理800公吨燃料。

最大的商业乏燃料再处理厂在法国的La Hague。它已经存在了足够长的时间（自1966年以来），以至于它遇到了退役旧装置的问题，该装置最初是作为法国的一个军事项目开始的。第一个处理单元于2003年关闭。国际原子能机构表示，“UP2-400退役项目始于大约20年前，预计可能会持续数年。”它谈到了巨大的成本和涉及的人员数量。报告称，“退役活动约占La Hague场址整体活动和社会经济影响的20%，该场址还拥有两个正在运营的乏燃料回收厂。”

La Hague再处理装置的成本可能还不完全清楚。它们是由政府机构建造的。它们经历了不同的所有者，包括阿海珐（AREVA）。阿海珐有巨大的财政问题。后继公司是Orano。目前运行的装置每年处理约1,700公吨燃料的能力。据报道，La Hague的1700公吨乏燃料再处理量几乎是世界乏燃料再循环能力的一半。

据Gail的消息，俄罗斯正在研究的方法很可能没有包括在Gail的数据中。如果是这样，这可能会增加世界铀供应，但如果没有足够的供应，俄罗斯不太可能想要与西方分享利益。

铀-235占天然铀的0.72%。维基百科上说：“与主要的同位素铀-238不同，铀-235是可裂变的，也就是说，它可以维持核反应。”在今天使用的大多数反应堆中，铀-235的浓度是3%到5%。

据CNN报道，建造先进模块化小型反应堆的计划是使用铀235浓度为5%至20%的燃料。这种浓度的燃料被称为高含量低浓缩铀（HALEU）。人们期望使用这种燃料的发电厂运行效率更高。

生产更高浓度的铀-235往往是有问题的，除非有核武器可以进行浓缩；核弹头使用高浓度的铀-235。现在，随着核弹头的减少，还需要其他来源。CNN报道称，高浓铀的唯一商业来源是俄罗斯。EIA报告称，《通货膨胀消减法案》投资了7亿美元，以支持HALEU国内供应链的发展。

奇怪的是，美国没有一个小型核反应堆的工作模型，甚至没有一个使用传统燃料的反应堆。美国全国广播公司财经频道2024年9月的一篇文章称，小型核反应堆可以为世界供电，挑战在于在美国建造第一座小型核反应堆。

我们所拥有的新的小规模核项目仍处于非常初级的阶段。2024年6月，比尔·盖茨写道：“我们刚刚在美国首个下一代核设施上破土动工。怀俄明州的Kemmerer将很快成为世界上最先进的核设施的所在地。”该项目计划在2030年投入运营，前提是该项目能够获得HALEU燃料。

关于从乏燃料中制造高浓铀的能力还有多远，《有趣的工程》杂志2024年10月的一篇文章说，“美国批准了将核废料转化为反应堆燃料的新设施设计概念：”

该设施的概念设计已获得批准，将位于爱达荷国家实验室（INL）。它将有助于把从美国能源部前实验增殖反应堆-II（EBR-II反应堆）回收的废材料转化为其先进核电站的可用燃料。该计划是从EBR中回收约10吨高浓铀。在2028年12月之前，使用爱达荷国家实验室多年来不断完善的电化学过程，将核废料转化为燃料。”

假设这可以做到，这将是向前迈出的一步，但它离其他公司可以经济地完成的大规模商业项目还差得很远。10吨的量很小。

从这个水平出发，很难想象在2050年之前，采用新技术和高浓铀燃料的反应堆怎么可能大量投入使用。

据Gail所了解，这些新型模块化发电厂价格合理的主要理由是，它们一次只能产生相对较少的电力——大约300兆瓦或更少，大约是美国传统核反应堆平均发电量的三分之一。由于发电量较小，希望更多的买家能够负担得起，比如公用事业公司。

经济学家经常忽视的一个问题是，使用这些新技术产生的电力需要每千瓦时的低成本才能发挥作用。高成本的电力是负担不起的。在首次尝试许多新方法时，降低成本可能是一个巨大的障碍。Gail看了一长串在前面提到的乏燃料回收中遇到的问题，想知道这些问题是否可以廉价地解决。采用和安装拟议中的新型先进模块化反应堆还存在一些问题，比如安全性。

我们的希望是，建造先进的模块化核反应堆和制造低浓铀燃料的整个过程可以标准化，并以一种规模经济的方式组织起来。在Gail看来，达到这个目标将是困难的。理论上，这样的目标也许可以在2060年或2070年实现，但考虑到目前世界上铀矿的短缺，这还远远不够快。

本文讨论的美国计划是在拜登政府时期制定的。这个团体在11月5日被赶下台。民主党政府将于2025年1月20日被唐纳德·特朗普领导的新一届共和党政府所取代。

如果先进的模块化核能发电计划消失，Gail说她不会感到惊讶，几乎和特朗普发誓要结束的目前得到补贴的海上风电项目一样快。这两个计划有很多共同点：两个计划都为增加美国债务提供了借口；它们为研究人员提供了许多工作；与它们相关的设备可以以相当小的增量购买。但是，每千瓦时的电力成本可能都很高。从某种意义上说，正如目前所设想的那样，它们将不是有效的发电方式。一个主要的问题是，新的模块化反应堆缺乏燃料，而获得这种燃料的时间又很慢。

Gail预计，在特朗普的领导下，对从俄罗斯购买高浓缩铀的制裁可能会被关税所取代。这样，美国就可以从俄罗斯购买高浓缩铀，但价格更高。如果需要的话，这将允许研究继续进行。

随着时间的推移，世界上的自组织经济倾向于消除效率较低的部分。回顾过去的核电经验时，Gail说她所看到的似乎是另一个自组织经济排挤低效率经济部分的例子（图7）。

图7 根据英国能源研究所发布的《2024年世界能源统计回顾》的数据，世界部分地区的核能发电量。

在这个图表中，“发达经济体，不包括美国”被定义为经济发展组织（OECD）的成员国，不包括美国。“后来者”指的是非经合组织成员国，不包括俄罗斯和乌克兰。这些国家包括中国、印度、印度尼西亚和许多其他低收入国家。其中许多国家位于东亚。

Gail说她所看到的是，总体核电产量相对“持平”，在很大程度上是由“除美国以外的发达经济体”在核电使用方面的回落所实现的，而与此同时，“后来者”却在迅速增加核电的使用。“后来者”可以比美国以外的发达经济体更便宜地制造商品在国际市场上销售，因为它们有效地利用了廉价能源（通常来自煤炭），而且工资也更低。这种更有效的方法使后来者在购买可用的铀方面具有“优势”。

Gail希望在未来看到更多这样的挤兑模式。事实上，新的和最近重新开放的核电站将需要与现有的核发电机组竞争可用的铀。

考虑到挤压的发生方式，很少有人会意识到铀燃料存在问题。只是世界上一些地区的领导人，以及美国一些地区的领导人，将开始强调核能有多危险。他们将强调风能和太阳能发电，而不是核能发电，并允许这些方法在可用时“优先”使用。其结果将是，在大多数情况下，批发电价对核电站来说太低了。正是这些低廉的批发电价将把核能挤出市场。

因此，除非在回收废燃料或铀矿开采方面真正取得突破，否则利用核能发电可能会逐渐从世界上许多目前使用核能的地区消失。

资料来源：The Future of Nuclear Power is Wrought with Challenges | OilPrice.com

来源：非凡说能源