这是阿图尔·科尔涅耶夫在切尔诺贝利极度放射性核素堆芯“象脚”处拍摄的照片
当前，世界正逐步转向核能，这一转变似乎成为满足日益增长的电力需求、实现绿色能源转型的可行路径。目前，全球超过440座商用反应堆提供了近10%的电力，这种无碳能源在过去70年里持续为照明、实验室和笔记本电脑等提供电力支持。然而，“核能”一词仍让人联想到三哩岛、切尔诺贝利及福岛三起臭名昭著的事故。
1979年的三哩岛事故、1986年的切尔诺贝利事故以及2011年的福岛事故，这些事故(包括部分堆芯熔化、失控爆炸以及海啸引发的故障)的根本原因均为水冷反应堆的冷却损失。
在全球范围内，为满足电动汽车车队、人工智能大型数据中心和工业热能需求，各国争相寻求清洁电力。在此背景下，了解核事故发生原因以及设计下一代反应堆以避免类似事件至关重要。
压水反应堆或沸水反应堆为钢制圆柱体结构，内部装有200多个燃料组件，每个组件包含数百个锆包覆管，管内填充铀235颗粒。中子撞击铀235原子核时，原子发生分裂，在自持链式反应中释放热量和更多中子。流经反应堆核心的水同时发挥调节中子数量、保持反应稳定以及将热量输送到二次回路推动涡轮旋转的作用。由硼或铪制成的控制棒在燃料棒束间滑动，以微调输出。若操作员需停止反应堆冷却，会将控制棒完全“紧急”送入堆芯，在几秒钟内抑制裂变。但控制棒无法阻止衰变热，衰变热使每吨燃料棒在数天内保持数百摄氏度高温。
当泵发生故障、管道破裂或海啸淹没备用发电机时，麻烦随之而来。无强制循环，反应堆水开始沸腾，蒸汽产生导致燃料棒暴露，包壳温度飙升至800摄氏度以上，锆与蒸汽反应生成氢气，安全壳内形成可燃气云。三哩岛事故中氢气只是“噗噗”冒出，而福岛事故中氢气发生爆炸，炸毁了反应堆大厅。若冷却系统无法恢复，锆管破裂，颗粒倾泻而下，形成温度超过2000摄氏度的白热堆，混凝土、钢材和燃料融合成粘稠放射性熔浆，即堆芯，可烧穿反应堆底部。过程中，挥发性同位素逸出到空气和水中，迫使大规模疏散，并留下持续数十年的禁区。
这三起遗留事故均涉及20世纪60年代设计的轻水反应堆。即将到来的第四代反应堆将用物理学原理改写这一局面，使灾难性过热在物理上不可能发生。
熔盐反应堆将铀溶解在氟化盐中，氟化盐兼作冷却剂。温度升高时，盐膨胀，中子散射，裂变速度自动减慢;若泵停止工作，重力将燃料排入被动冷却的储罐中。球床高温反应堆将微小铀核包裹在石墨“网球”中，即使无冷却剂，陶瓷球温度也不能超过1600摄氏度，远低于损伤阈值，因此不可能发生熔毁。钠冷或铅冷快堆在常压下运行，使用沸点高于1500摄氏度的金属冷却剂，消除水闪蒸成蒸汽的风险，快中子还能消耗长寿命废物，减少放射性遗留物。
目前，示范项目正在推进。中国山东省200兆瓦高温气冷堆(HTR-PM)球床机组已于2023年12月并网发电，成为世界上首个投入商业运营的第四代核电机组。在美国，凯罗斯电力公司(Kairos Power)正在田纳西州建造一座氟盐试验反应堆，目标是在2027年实现首次供热。
从劳斯莱斯到总部位于温哥华的纳米核能公司等私营公司，都在押注紧凑型、工厂建造的小型模块化反应堆(SMR)，这种反应堆有望在2030年代初为数据中心或微电网供电。
电动汽车强制令和人工智能超级集群加速了电力需求增长，其速度甚至超过太阳能和风能规模化发展。ChatGPT平台上的每一个指令都会消耗GPU机架上的毫焦耳能量，该平台每天处理十亿次查询，一天消耗的能源相当于帝国大厦一年半的能耗。数据中心运营商已开始考察核能基载发电，微软已签署意向书，计划在宾夕法尼亚州三哩岛核电站重新开放后利用其电力;亚马逊则支持X-energy的Xe-100 SMR为未来服务器群供电。
即使是可安全运行的反应堆也需要燃料，一些先进设计需要高浓度低浓铀(HALEU)，其铀235丰度可达19.75%。目前只有俄罗斯能大规模供应HALEU，Centrus和Urenco等美国公司已在俄亥俄州和田纳西州启动离心机项目，但可能要到2030年才能达到满负荷运转。
资金是另一大障碍，大型反应堆耗资100亿美元，审批和浇注耗时十年。尽管小型反应堆承诺可重复建造、成本更低，但监管机构仍需制定新型冷却剂的规则手册。此外，公众接受度也存在差距，民意调查支持核能稳步发展，但当地反对声音可能会在项目破土动工前就扼杀项目。
与普遍担忧相反，一个人一生中用核电经过后处理后会产生约5克高放射性废料，大约相当于两块方糖的重量。芬兰、瑞典以及(最终)美国都已设计了深层地质处置库，用于隔离这些废料，时间远远超过同位素的危险性保留时间。更令人头疼的是过去事故留下的熔融堆芯，核工业决心绝不重蹈覆辙。
若HALEU生产线规模扩大、SMR下线以及第四代巨型核电站相继建成，到本世纪中叶，核能在全球电力中的份额可能会翻一番或两番。分析人士认为，这是实现电网脱碳，同时为电动汽车充电桩、绿色氢电解器和人工智能集群供电所需的规模。这项技术已基本得到验证，政府对核能的许可、投资和建设意愿依然存在。
