世界上超过25%的二氧化碳的排放来自化石燃料燃烧,这些石化燃料用于产生热能与电力。在美国，到2040年，美国能源部项目负荷将增长22%。

同时,在奥巴马政府的清洁能源计划下温室排放的限制将生效。

为了满足日益增长的能源需求，同时达到2025年温室气体排放量在2005年的基础上消减26%-28%的目标，在美国和世界各地，工业和智库专家们呼吁核能复兴；但是以前的恐惧与新的经济形势萦绕着核工业，使创新者返回到设计原点想出更好的设计。

对于发展核能的理由，特别是在气候变化的背景下,在许多方面依然强劲:核燃料是人类所知的最高密度能量的燃料。一千克的煤的燃烧可以保持一个100瓦的灯泡亮四天,而同样数量的铀核燃料可以保持它亮140年且没有二氧化碳的排放。

由于核能污染小和可产生大量的电力，按每千瓦造价计算，核能也是最安全的能源。

当空军提出核飞行器与底特律谈论核汽车的时候，这些应用前景也开启了战后核能无约束发展的新纪元。阿贡国家实验室和橡树岭实验室等国家实验室尝试了各种各样的反应堆设计，但海军的大规模的研究和开发工作使轻水反应堆占支配地位。

反应堆热潮中的障碍

轻水堆中的“轻”是指是在一个水分子氢同位素。轻水，就像你所喝的水，该氢只有一个质子的原子核。重水分子中至少有一个氢原子再加上一个中子，增加了重量。

核电站是一个典型的核裂变反应堆，其基本原理是一个U的同位素U235,它分裂成两个碎片并释放出两到三个中子，那些中子继续轰击其他U原子，使他们分裂并释放出更多的中子。这种链式反应产生的热量能够使水沸腾来带动汽轮机

然而， U²³⁸是U最常见的同位素，它吸收中子后不能引起分裂并结束核反应。为了使用U作为燃料，工程师必须提高U²³⁵与U²³⁸的比率以获得足够的核材料来实现增殖反应。这个的过程称为浓缩。

控制反应要求有一种物质起慢化作用，在一个稳定的控制速率下它使中子慢化以增大核反应的概率。传热流体有助于将热量从核反应堆用于发电过程，同时使核反应堆内保持稳定的温度。 为了停止核反应，核电厂通常在固体U燃料棒之间插入石墨。

在轻水反应堆中，水既是一种冷却剂又能对高能中子起慢化作用，这可以降低反应堆的运行成本和复杂性。这些设计使用浓缩铀作为燃料。另一方面，在重水反应堆中使用的是便宜的低富集度的燃料，但是反应堆中使用的重水增加了成本。

世界上的大部分运行的核电站都是轻水堆的各种变种，目前处于第二代轻水堆。

在美国，核电站的建设从20世纪50年代开始激增，超过100座核反应堆被建立，它们提供了整个国家20%的电力需求和65%的无碳量的排放。但随后核开发和部署停滞不前,因为其不利的一面变得不容忽视。

一方面，在建造核反应堆的时候，随着价格标签的激增和截止日的过期，发展核工业的成本和排程时间都是出了名的不可靠。

另一个问题是核电厂产生的高度放射性的废料带来的危害能持续几千年，核废料的处理仍然是一项政治上的争议，如国会反复讨论的关于在内华达州尤卡山核废料储存库问题。

美国宾夕法尼亚发生的三里岛核事故摧毁了核能在美国公众心目中形象。反对核能的声音激增，核反应堆的建设停滞超过30年。

避免另一个福岛的悲剧发生

现在恐惧已经消退，新一代的核工程师和科学家在带头冲锋，低碳能源需求正在激励着它们。虽然反应堆的建造被搁置，像更好的材料和计算机仿真工具等新技术已经为改善安全性和降低成本的第三代设计开启了大门。

阿贡国家实验室能源和全球安全实验室副实验室主任马克·彼得斯说：“大多数3代堆还是轻水反应堆， 他们设计了更加先进的安全系统。”

特别地，第三代设计采用非能动系统来提高安全性。三里岛，乌克兰的切尔诺贝利以及日本的福岛第一核电站等所有的核灾难，均遭受循环水泵关闭，冷却水蒸发，燃料和废物过热和熔化的问题。第三代反应堆的设计能避免这种情况。

AP1000是三代反应堆的设计之一，他是西屋电气公司所设计的。2012年,美国核管理委员会批准了该设计的建设，这是自1979年以来首次在美国批准的新反应堆建设。

在韦恩斯伯勒附近Vogtle发电厂内正在建立两座AP1000反应堆，这项建设获得了83亿美元的联邦贷款,预计总成本为140亿美元。他们预计将在2018年和2019年并网发电，这将由南部核能的子公司负责。

约翰·奥布莱恩，是乔治亚电力公司一名资深通讯专家，这家电力公司是美国南部的一家公用事业公司，他在一封电子邮件中说到 “AP1000被选中，因为它采用基于成熟的核电技术建造，同时也纳入新的改进技术，” “AP1000依靠重力，自然循环的自然力量和压缩气体，以防止核反应堆过热；而不是依靠能动设备，如柴油发电机和泵。”

这意味着，如果一个冷却管道破裂或计算机系统关机，当操作员不干预的情况下，依靠重力和对流将足以保持反应堆堆芯冷却，同时核反应不依赖操作员的任何操作逐步实现停堆。

奥布莱恩说，AP1000构造以这样一种方式来控制建设成本，减少维护需求。

对非水堆和新燃料的构想

另一个具有竞争的第三代设计是EPR，它最初代表欧洲压水反应堆。它是由法国和德国公司合作所设计的。有两座EPR反应堆正在中国在建,另外在芬兰有一座,在法国还有一座。

EPR也采用了非能动安全设置，它可以在燃料富集度只有5％的情况下运行。相对于传统的第二代设计，它每单位能量所使用的燃料跟传统的二代设计相比减少了17％。然而，目前的项目都面临成本超支和工期延误的问题。

小型模块化反应堆（中小型反应堆）是也另一种第三代的核电方式。这样做是为了完善现有的反应堆设计和缩小建筑规模，从而降低建设核电站的前期成本和缩短建造时间。

一个在Third Way的清洁能源研究员塞缪尔·布林顿，同时也是一名智囊团成员，他解释道：“为了替代1200兆瓦的反应堆，他们正在提供了一个更小的300兆瓦的反应堆。”较小的尺寸也使得它更容易满足建设需求，消除投资者的担忧。

Third Way近日发布了一份报告，发现私营部门正显示出对核电的兴趣，对此投入13亿美金的资金。这项投资将聚焦于方法上的研究甚至是关注于第四代反应堆。

“我们确实将现有的AP1000s，EPR和中小型反应堆看作是反应堆发展的桥接技术，”布林顿说。“你不只是要跳转到一个新的堆型，你处处需要培训和支持系统。”

第四代反应堆的设计提案看起来跟前两代反应堆的设计有很大的不同。一方面，大部分的设计完全避免了水而依赖于加压蒸汽、熔盐和液态金属来冷却。这些冷却剂确保反应堆在更高的温度下运行的同时降低了由于水沸腾带来的危险。

第四代反应堆的燃料也有所不同。更加有效的设计意味着它能利用低纯度的燃料。核能公司的开创者原子能公司正在发展一座熔盐堆，该堆运行燃料来源于其他反应堆的核废料。TerraPower公司是正在设计一项工程反应堆，该堆旨在将储存的贫铀在核反应堆内转化为易裂变核素。

其他的一些公司正在寻找全新的可循环的燃料如钍，钍的使用将消除核武器扩增的危害。然而，采用新的燃料循环意味着一切将从基础建设，工程，实验重新开始，这离钍的大热尚且需要几年的时间。

跨越式发展

目前，核工业发展一项重要的问题是在测试这些方法的同时出台相关的规章制度。

“美国核管理委员会对我们现有的轻水堆的相关规定非常规范，但是对更先进的设计他们并没有专业的水平” 阿什丽·费楠说道。

在去年五月，来自核工业界的高级官员，呼吁美国能源部投资国家实验室的反应堆项目。

美国许多核电站都面临着退役问题，但温室气体排放的政策限制可能会使现存的核电站延寿，或者开发新的反应堆以及采用其他低碳能源作为补充。“这与经济高度相关：怎样才能让这台机器在许可阶段保证安全？”阿贡的Peters说。

与此同时，风能和太阳能技术会持续改善并且价格会越来越低。在这个市场上，核工业要想保持竞争力，在研发上就不能中断。“到2025年，第四代反应堆可以实现商业化运行”，“我们将面临着更多的竞争，推动第四代反应堆进一步降低成本，他们要么留下，要么持续创新。”