说起能源，这种能够提供能量和做功的自然资源，对人类社会来说就是支撑生存和发展的柱石，是人类生产力发展的源动力。回顾整个人类社会的发展过程，实质就是能源不断升级的过程：从古典时期的天然能源到工业时代的化石能源，再到信息时代的电能，每一次能源迭代升级都是推动社会生产力质变的强大动力，而支撑人类进入下一个时代的未来能源，最具希望的便是核能。

核能为何能成为未来能源？

核能，又称原子能，是通过核反应从原子核中释放的能量，符合爱因斯坦的质能方程E=mc² （E能量、m质量、c速度），别看原子核微小的肉眼难见，但储存的能量却大得惊人。目前核能释放有三种核反应方式，一是核裂变，由较重的原子核分裂释放核能；二是核聚变，由较轻的原子核聚合在一起释放结核能；三是核衰变，由原子核自发衰变过程中释放能量。

核裂变链式反应

由于核衰变是原子核自发射出某种粒子而变为另一种核的过程，其产生的能量相对较小，所以最具开发价值的核能途径就是核裂变和核聚变。其中核裂变，就是重元素的裂变，比如铀的裂变链式反应，就是原子弹和核能发电厂的能量来源，目前已经得到实际应用，而核聚变，就是轻元素的聚变，如氘、氚、锂等，目前人类已经实现不受控制的核聚变，如氢弹，但可控核聚变尚在研究中，即“人造太阳”。

这就意味着人类开发核能存在两大方向，即核裂变和核聚变。其中核裂变依赖重元素，比如锕、钍、镤、镎、铀、钚，这些都是地球上自然存在的放射性重元素，但其中应用最多的便是铀，原因就是铀是自然界中天然存在的最重元素，其原子序数为92，也是原子序数最高的元素，元素符号为U。银白色金属，几乎与钢一样硬，密度高（相对密度约18.95），熔点1135℃，沸点4134℃。在核能量发展之前，它被用作制造黄色玻璃。

铀矿石

天然铀在自然界中存在三种同位素：238U、235U和234U，其含量分别为99.28%（238U）、0.71%（235U）和0.006%（234U），均带有放射性，拥有非常长的半衰期（数十万年~45亿年）。不过目前人类对核能的利用还处在“烧开水”的初级阶段，所以用作核燃料的只有在天然铀中占比0.71%的235U，因为铀-235能够燃烧，其余99.29%的天然铀都没有被利用而成了核废料。

阻碍中国核能发展的瓶颈

尽管1千克235U核裂变放出的能量相当于2700吨精煤燃烧产生的能量，但依然无法改变对铀资源浪费极大的局面。据世界核协会公布的数据，2021年全球铀总需求量共计62496吨，其中，美国的铀需求量为17587吨，占总需求的28.1%，位列世界第一，中国的铀需求量为9563吨，占比15.3%，位列世界第二；法国为8233吨，占比13.2%，排第三；俄罗斯为5925吨，占比9.5%，排第四。

目前已发现的铀矿物和含铀矿物约有500多种，但具有工业开发价值的仅二三十种。除澳大利亚、加拿大有一些较大的富铀矿床（含铀1%～10%）外，大多数国家的铀矿含铀品位仅为0.1%～0.2%。当然，世界铀资源储量最大的国家就是澳大利亚，以169.27万吨的资源储量，占到了世界总储量的27.53%。

世界前十名的铀矿

澳大利亚之后，铀资源储量第二名的是哈萨克斯坦，共计90.68万吨，占总储量的14.75%，后面铀资源储量第三名是加拿大，共计56.49万吨，占总储量的9.19%。之后排名前列的还有俄罗斯、纳米比亚、南非、巴西、尼日尔、中国、蒙古、美国等。随着近几年全球铀矿勘查开发力度的加大，世界多国铀矿资源量均有增加。截止到2020年，中国铀矿储量11.59万吨，约占全球总储量2.9%，排名第九。

也就是说我们中国并不是一个铀矿资源储量丰富的国家，要知道前7名国家的铀资源已经占到全球总储量的75%，世界前10名的铀矿也无一处归属中国。此外，我们国内的铀矿品位偏低，通常与磷、硫、及有色、稀有金属共生或者伴生，开采难度大、成本高，导致我国在2021年时国内铀产量仅有3170万吨，超过三分之二的铀需要从国外进口，无法满足发展核电的长远需要。

不但如此，如果按照当前这种低效的核裂变反应堆，那么全世界高品位的铀矿也用不了几十年时间就会被消耗殆尽，而且还会留下大量的核废料，造成环境污染。所以中国人要想解决当下的困境，面前就只有两条路，一条路是扩大铀资源供给，另外一条就是发展“快堆”核反应堆，提升大幅度提高铀资源的利用率。

世界规模最大的露天铀矿—纳米比亚湖山铀矿，蕴藏29.29万吨八氧化三铀，居全球第三

其中扩大铀资源供给的方法有两个，一是增加铀资源进口，或出海收购他国铀矿资源，比如当前我国大部分铀资源进口来自于哈萨克斯坦、纳米比亚和澳大利亚。而且中核和中广核集团也在哈萨克斯坦、纳米比亚参股或收购了一些铀矿，例如纳米比亚的湖山铀矿，这构成了中国维持铀供应链安全的基本保障。

哈萨克斯坦铀矿资源分布图

蒙古国铀矿资源分布图

不过近几年与澳大利亚的贸易合作多受到美国波及，难以十分可靠，所以我们还要继续寻找新的海外铀矿，而随着哈萨克和蒙古国相继发现了世界级的大型铀矿，这对我们而言或许是一个机会。当然我们自己国内的找铀矿也获得巨大突破，那就是2012年发现的储量达5万吨级的内蒙古大营铀矿，但这还远远不够。

目前我国商运核电机组53台，总装机容量5560万千瓦，在建核电机组23台，连续保持全球第一。

因为按照规划，中国每年将开工6到8台核电机组，预计到2035年国内铀需求量将达到3-3.5万吨。所以除了增加铀资源进口外，我们还需要大力发展海水提铀技术。据悉，地球表面的海水中铀蕴含量约45亿吨，是陆地上已探明铀储量的近千倍，如果全部提取出来，所含的核裂变能量足以保证人类几万年的能源需要。

南海某海域公斤级海试提铀平台航拍图。图片引自中科院上海高研院

但是海水中含铀的浓度很低，每吨海水中只有3.3毫克铀，提取难度很大，成本也比开采陆地铀矿高出3-10倍。目前日本、德国、英国都在开展海水提铀技术的研发，已经从基础研究转向开发应用研究阶段，日本还建成了年产10千克铀的中试工厂，而我们也出台了海水提铀的“三步走”战略，预计到第三阶段（2036-2050），就要实现海水提铀的连续生产能力，届时我们将逐渐实现“铀自由”。

掌握核能，即要“开源”又要“节流”

当然要完全掌握核能这个未来能源，通过海水提铀技术也只是实现了“开源”，而“节流”还是要靠发展“快堆”核反应堆。所谓快堆，就是核裂变快中子增殖反应堆的简称，主要由快中子引起核裂变的链式反应。目前世界上普遍采用的压水堆的铀资源利用率只有1%左右，通过快堆及其燃料循环可以将利用率提高到60%~70%。

一旦利用率得到大幅提高，更贫的铀矿也值得开采，这样世界可开采的铀资源将提高千倍，同时核电站乏燃料中有长寿命的稀有锕系核素、长寿命裂变产物和一般中短寿命的裂变产物可以由快堆进行嬗变，实现放射性废物的最小化。这样核能发展的两大问题：铀资源的有限性、高放废物的处理处置，就得到了充分解决。而且由于压水堆只能消耗天然铀的1%~2%，余下98%用于快堆的话，可能缓解对海外铀矿的严重依赖，保证能源安全。

至于发展快堆技术的可行性问题，目前法国走在了世界前面，已经建成世界上最大的“快堆”核电站，发电能力达到120多万千瓦，可行性已经得到科学论证，同时中国工程院院士、中核集团快堆首席专家徐銤也力主发展快堆。所以对于我们而言，唯有奋起直追，才有可能让核能取代化石能源，成为一种大规模、可持续发展的未来能源，而煤炭石油则更多扮演化工原料的角色。

自人类社会近代以来，在能源技术上出现了三次重大突破，分别是蒸汽能、电能和原子能，每一次能源革命都极大的推动了社会生产力的蓬勃发展。如今随着以煤炭、石油和天然气为代表的化石能源的巨大消耗，世界能源结构正在经历第三次大转变，即化石能源转向新能源，而在一众各种形式的新能源中，毫无疑问核能的能量是最大的，也是最有望主导未来能源秩序的。

作为世界新的产业革命的动力源泉，布局新能源，掌握核能发展的重要技术，事关我们在未来世界扮演的角色，万不可坐视！

上期回顾：缺什么来什么？蒙古国铀矿储量超150万吨，或将缓解中国贫铀现状

备注：本文限于篇幅，只针对核裂变和海水提铀做科普阐述，至于可控核聚变的“人造太阳”下期更新，仅为一家之言，欢迎指正转发。另文中配图部分引自网络，如有版权私联请删。