1942 年12 月2 日，在芝加哥大学Stagg Field 足球场下方，Chicago Pile-1 启动，成为世界上第一个（受控）核反应堆。 78年后的今天，440座反应堆的发电量占世界总发电量的10%以上，目前还有50座反应堆正在建设中。
尽管如此，核能的名声却很差。就像生活中的许多事情一样，这是由许多复杂因素造成的。核能对许多人来说仍然是个谜。它与核武器联系在一起，并且仍然承受着数十年冷战宣传和美国、苏联和日本三起极其引人注目的反应堆事故的负担。
在西方，反应堆建设和发展在20 世纪最后几十年放缓，但该行业可能正处于复兴的边缘。尽管核能名声不佳，但它有很多优点。它不仅无碳，而且零排放。它可以从很小的区域产生大量的能量。它可以位于任何区域。令人惊讶的是，它的每千瓦死亡率是所有能源中最低的。
核电成本
然而，核能有一个很大的问题，那就是成本。由于该工厂耗资高达150 亿美元，建造反应堆很少能盈利。相反，建筑商的大部分收入来自反应堆的加油和维修。
核电站建设成本高昂的主要原因并不是因为它们是核电站，而是因为它们是大型且通常是一次性土木工程项目，且生产量小，可能需要长达20 年的时间才能投入使用。核电站不是在工厂大规模生产，而是在现场建造。它们还需要复杂的许可流程，根据一套独特的质量、安全和安保要求对工厂设计进行测试、修改和重新测试，并要求运营商支付所有废物处理费用。
所有这些不仅会导致成本超支，而且所花费的时间还意味着随着工程师年龄的增长和退休，他们很有可能会失去经验。这导致了一些奇怪的现象，例如核能先驱之一的英国不得不向国外寻求帮助来建造该国最新的反应堆。
有一些方法可以降低成本，包括使用标准化设计、建造足够的工厂以保留技能和经验、采用各种管理精简措施，以及最重要的是，通过降低最大的建筑成本。核反应堆并不主导这些先进系统的成本；相反，它是土木工程、结构和施工；电气设备的安装；以及该现场工作的其他间接成本。
正因为如此，核工业正在寻求新的反应堆设计，其中一些已经开发了数十年，不仅可以降低建设和运营成本，还可以提高安全性和效率，同时降低核武器扩散的风险。
未来的反应堆设计
如今，核工业正处于第三代或第三代以上。第一代以20 世纪40 年代末、1950 年代和1960 年代初的原型反应堆为标志，第二代以1960 年代中期至1990 年代中期的第一个商业轻水反应堆为标志。接下来是第三代，也是轻水反应堆，但采用了新技术，例如更可靠的燃料、非能动冷却系统和不易发生故障的反应堆堆芯。第三代+将在2030年代建成，是最新的反应堆，是对第三代设计的进一步改进。
接下来将是第四代，这是一个更先进和多样化的设计系列，旨在通过采用新的反应堆技术以及新材料和新的制造技术，使核电站不仅成本更低，而且本质上更安全。
基本上，这些第四代反应堆的特点是其冷却剂，可以是水、氦气、液态金属或熔盐。它们还根据它们在中子谱中的运行位置进行区分。即，在热中子能谱或快中子能谱中。在后者中，引起裂变的中子是由核反应产生的，并且不会减慢，因此反应堆在非常高的中子能量下运行，而在前者中，反应堆使用慢化剂来减慢反应，反应发生在低中子能量时更高。
新地图集列出了一些第四代反应堆。这并不是一份详尽的清单，但它确实包括了2000 年代中期可能出现的主要竞争者。
小型模块化反应堆（SMR）
小型模块化反应堆（SMR）是轻水反应堆，基本上是当今使用的反应堆的高级版本，只不过它们更小并且可以像汽车一样大规模生产。这些反应堆旨在通过引入基于工厂的制造技术来降低核电成本。本质上，这个想法是创建每个容量小于300MWe 的小型标准化反应堆。
与传统反应堆不同，SMR 不是大型土木工程项目，可能需要20 年才能上线，再需要20 年才能盈利。相反，正如其名称所示，小型反应堆基于更小、更简单的设计，不仅包含反应堆模块，还包含其大部分支持组件。
这使得发电厂可以在工厂或造船厂建造为固体模块，然后运输到现场进行组装。目标不仅是降低成本，而且是从根本上加快工厂建设和认证开始运营的速度。
SMR的另一个优点是工厂可以进行配置以满足不同客户的需求。例如，相对孤立的小型社区可以订购可为数千个家庭和企业提供服务的单反应堆发电厂，而大城市则可以拥有可为数百万人提供电力的多反应堆发电厂。由于小型模块化反应堆体积较小，因此可用于石油勘探或军事基地维修等特殊应用。此外，模块可以设计为以最合适的方式运输，包括驳船、轮船、卡车、火车甚至飞艇。
中小型反应堆还因采用被动安全系统而闻名，该系统只需很少或不需要电力即可运行并在发生事故时提供冷却。它们也更容易屏蔽，不需要大型混凝土结构，因为它们可以很容易地安装在地下或船舶或海上平台上，它们位于水线以下，就像屏蔽潜艇上的反应堆一样。
高温气冷堆（HTGR）
高温气冷反应堆（TGR）是一种石墨调节的氦冷反应堆，其运行温度是传统反应堆的两到三倍，但功率密度较低。这个概念自20 世纪40 年代以来就一直在发展，但直到最近几年，该技术才开始成熟。
高温气冷堆的基础是它使用TRi 结构各向同性(TRISO) 颗粒燃料。 TSRIO 燃料不是形成棒状，而是由罂粟种子大小的颗粒组成，这些颗粒由铀、碳和氧制成，密封在三层碳或陶瓷材料中以容纳核废料。
这些颗粒被形成圆柱形颗粒或台球大小的球体，称为“卵石”。这使得燃料非常坚固。它比传统燃料更耐中子辐照、腐蚀、氧化和高温。这意味着“卵石”在反应器中不会熔化，反应器可以在更高的温度下运行。此外，“卵石”可以在反应器中缓慢循环，用过的“卵石”从反应器底部移走，并在顶部引入新的“卵石”来替换它们。
气冷快堆（GFR）
气冷快堆（GFR）也采用氦气冷却，但其运行功率密度高于高温气冷堆。它们最初是作为增殖反应堆开发的，通过使用快中子而不是传统反应堆产生的慢中子，将钍或非裂变铀同位素转化为钚或裂变铀同位素，产生比燃烧更多的燃料。
GFR 的高级版本使用由陶瓷碳化铀燃料制成的核心，使其能够在高温下运行。该燃料还被配置为每体积燃料具有高密度的铀原子。
钠冷快堆（SFR）
另一种快堆是钠冷快堆（SFR），它采用液态钠冷却，具有非常好的散热能力。这些是小型反应堆，因为这允许固有的和被动的安全功能，而这些功能在大型钠反应堆中不能很好地发挥作用。在美国，使用的燃料是包裹在钢中的铀和锆的金属合金，而在俄罗斯、法国和日本，氧化铀燃料受到青睐。这些燃料的热密度较低，因此如果反应堆堆芯太热，它就会膨胀，导致核反应自然减弱。
由于SFR 具有封闭的燃料循环，堆芯也非常紧凑。也就是说，铀和钚作为核反应的一部分在堆芯内循环利用，使反应堆能够在换料之间运行数十年。
铅冷快堆（LFR）
铅冷快堆（LFR）基于为俄罗斯核潜艇开发的反应堆设计，顾名思义，使用铅作为冷却元件。最新版本使用氮化铀而不是二氧化铀。与钠一样，铅也提供类似的被动安全系统，如果核反应开始失控，该系统会自动调节核反应。
氟盐冷却高温反应堆（FHR）
氟化物冷却高温反应堆（FHR）是一种用氟化锂和氟化铍盐的熔融混合物代替氦冷却的高温反应堆。这些反应堆的功率密度是采用TRISO 颗粒燃料技术的高温反应堆的10 倍。氟化物盐使反应堆能够在比氦冷却反应堆更低的温度下运行，未来的设计将使用“卵石”燃料。
熔盐反应堆(MSR)
在熔盐反应堆（MSR）中，熔盐既充当冷却剂又充当燃料。燃料不是被形成棒、球或卵石，而是与氟化物盐混合，流过石墨或类似的慢中子发生器并控制反应。
MSR 可以在更高的温度下运行，尽管这会带来腐蚀问题，因此设计偏向于冷却器版本。然而，通过将冷却剂和燃料结合起来，清除废物和引入新燃料比传统反应堆要容易得多。
第四代以后
随着对无碳能源的需求增长，导致世界各地建造更多核电站，我们将看到这些第四代反应堆投入使用。由于它们的设计成本更低且构建速度更快，因此它们可能很快就会变得非常普遍。但第四代之后会发生什么呢？第五代会是什么样子？
在许多方面，它们将是第四代反应堆的更先进版本，借鉴了上一代反应堆的经验教训，但我们也可能会看到新的核电站用于新的利基应用。研究人员已经计划建造在月球上使用的小型反应堆，并正在研究像蜡烛一样燃烧的核燃料等技术，反应从一端开始，并随着燃料的逐渐消耗而转移到另一端。
我们还可能会看到对其他核反应堆设计方法的重新审视，这些方法基于几十年前的实验，但被放弃，转而采用更有前途的解决方案。其中一些已经被完全放弃，甚至该领域的专家对它们也只有模糊的了解。现在，他们正在被重新审视。也许有一天，“核燃料”一词不仅意味着铀和钚，还意味着钍等鲜为人知的材料。
