核燃料尋找擴展:由鈾礦延伸至海洋再至月球

2026 年 8 月 24 日

SAN ANTONIO:德州南部清晨大約5:30,Jesus “Jesse” Garza Jr 正為在 Alta Mesa 鈾礦項目值班做準備。

他的奶奶 Mary Lou Rodriguez 曾在同一個礦場工作,他們一家人過去也會在城鎮周邊鈾礦的重型機械聲中醒來。

在冷戰時期,當德州為美國的核能計畫及民用電力部門提供動力時,該州的鈾礦產量足以每年供應約800萬戶家庭的用電。

但需求下滑與進口價格下降,到了1990年代末本地運作變得不可行。2011年的福島事故亦再度引發核安全關切,令市場信心進一步受挫。

但這一勢頭正在逆轉。 Garza 於2024年加入 Alta Mesa,因祖母告知其產量恢復而成為工頭。去年,該礦場成為美國第二大鈾生產商。

「我想延續家族的傳承,留下一樣痕跡。」他說。「核能是潔淨能源。它是未來,我想成為其中的一部分。」

核能的重新崛起並不只限於德州。全球超過四十個國家計劃興建新型反應堆,或正考慮此事,因為政府尋求可靠的低碳電力,而人工智能與加密貨幎等產業對能源的需求不斷上升。

核能的魅力部分源於鈾的能量密度。一粒約指尖大小的鈾燃料微粒,能提供的能量相當於一公噸煤炭或約17,000立方英尺的天然氣。

然而,全球對核能能力的興趣是在長期鈾產量低迷之後出現的。預計到2040年,需求將翻倍,甚至在2030年以後可能開始出現供不應求,未來二十年仍出現燃料短缺的警示。

俄羅斯於2022年入侵烏克蘭亦暴露出全球核燃料供應鏈被少數幾個國家掌控的現實。

該年美國民用核反應堆所使用的鈾,有84%來自五個國家——加拿大、哈薩克斯坦、俄羅斯、烏茲別克和澳洲;其中俄羅斯亦供應美國使用的濃縮鈾的24%。

現時各國正展開爭相確保燃料供應,並主導新核時代的技術與供應鏈。

這些燃料究竟來自何處、由誰掌控,以及核能復興能否長久維持? CNA 的《The Nuclear Option》在八個國家尋找答案。

WATCH: Race for uranium — Who will fuel the nuclear revival? (46:35)

LOOKING FOR URANIUM IN DIFFERENT PLACES

鈾的豐富程度大約是黃金的五百倍,但全球可開採的儲量集中在不足十個國家之內。全球最大的生產國是哈薩克斯坦。

在哈薩克斯坦南部的哈拉桑-2礦,鈾是透過原位開採(ISR)提取。井筒向地下打出溶液以溶解鈾,然後上升至地面再加工成黃鈾粉末,用於製作核燃料。

原位開採占全球產量的一半以上,幫助哈薩克斯坦生產了全球約40%的原鈾。

但將鈾從地底開出來只是第一步。哈薩克斯坦在濃縮其鈾以作為反應爐燃料方面,主要依賴俄羅斯。

烏克蘭戰爭亦使通往外國市場的出口路線變得複雜,一些西方客戶要求改走中介走廊:跨越裏海,經亞塞拜疆與喬治亞,再入黑海。

當人們把注意力轉向替代供應商,澳洲重新引起關注。它擁有全球已知最大鈾資源——約為哈薩克斯坦的兩倍,但要把這些儲量轉化為現成供應,卻可能需要接近十年的時間。

Alligator Energy 的首席執行官 Andrea Marsland-Smith 指出,若公司要鑽探並評估一處礦床,通常需要約五年的時間;而取得開採許可又需要再五年。

取得資源也牽涉政治與社會敏感性。在西澳,從2017年起就沒有新鈾礦開採項目獲批,一些礦床位於對原住民社群具有深厚意義的土地上。

礦業可能帶來就業與基礎設施,但六過去十年鈾價由約40美元一磅升至約85美元一磅,促使價格上升;同時礦業也可能打擾祖先、信仰與身份有關的風景。

在 Morapoi 的荒野地區,Wangkatha 部落長者 Gregory Stubbs 表示:「如果真的要開採鈾,那會有甚麼影響?我們中有些人還未準備好。」

然而對澳洲能源未來的討論正在進行, Kalgoorlie-Boulder 的市長 Glenn Wilson 指出,與以往不同,現正進行「我們從未有過的對話」,聚焦於前進時鈾礦對經濟與能源安全的重要性。


顯然有一些因素可能會讓進程提前得多,尤其是澳洲目前面對的能源危機。”

同樣在瑞典——歐洲已知鈾佔比的27%之地——其儲量仍然未被開採,主要存在於富含鋁土頁岩的地層中,這些地層如果受到撬動,可能向地下水和溪流中釋放重金屬。

出於環境憂慮與更廣的政治考慮,瑞典於2018年禁止鈾礦開採。不過隨著歐洲電價上升,減少對外部燃料,尤其俄羅斯燃料的依賴、增強能源安全的壓力日增。瑞典於翌年起重新允許,但仍保持環境監管。

另一個完全以進口鈾為主的國家是日本;日本同時在尋求其他選項,研究從海洋中提取鈾的可能。

海洋中鈾的含量大約是陸地已知可開採儲量的五百到一千倍,「足以讓全球核電廠運轉約六萬年」, Canon Institute for Global Studies 的研究主任杉山太志如是說。

日本科學家已測試出能從海水中捕捉鈾化合物的 braided 材料。但由於海水中的鈾極度稀釋,提取成本高昂。

研究人員現在正試圖降低成本。「為了實現這一點,我們正在改良材料,使其能多次重用,」國立量子科學與技術研究所的專案負責人關法子表示。

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他們甚至在著名的 Kusatsu 溫泉進行測試,捕捉當地酸性強的溫泉所帶出到地表的金屬。若技術與材料具備商業可行性,或為日本提供走向能源獨立的路徑。

PUSHING TO PRODUCE TOMORROW’S NUCLEAR FUEL

取得鈾只是保護國家能源未來的一部分。為減少對外國供應商的依賴,政府同時希望具備濃縮鈾以供核反應堆使用的能力。

當前焦點大多聚集在小型模組化反應堆(SMR)。與傳統核電廠相比,SMR 的建造速度更快、成本更低,且可在能源需求增長時擴展規模。

SMR 的緊湊尺寸亦意味著能在大型反應堆不切實際的地方部署。不過,許多 SMR 設計需要高活性低濃縮鈾(HALEU),其含裂變材料量高於普通反應堆燃料。

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根據美國能源部先進燃料計畫的國家技術主管 Dan Wachs 的說法,HALEU 燃料元件在換燃料週期中可多次延長更長時間,同時產生的廢燃料量僅為標準燃料的四分之一左右。

目前只有俄羅斯與中國能以商業規模生產 HALEU,美國正努力縮小這一差距。

去年六月,Centrus Energy 成為首家美國公司生產並交付近一公噸 HALEU 的案例。雖然成為國家層面的里程碑,但同時也顯示該領域的巨大挑戰。

「這大概可以為一座中型反應堆提供燃料。」核工程師 Nick Touran 說。「要打造一支規模龐大的先進反應堆隊伍,你一年需要成千上萬公斤的供應。」

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Centrus 是美國三家在能源部價值27億美元計畫之資助下,擴展國內濃縮能力的公司之一。

美國等國家正轉向高級燃料,以更安全地使用鈾。美國田納西州橡樹嶺國家實驗室正在發展三結構各向同位素(TRISO)燃料。

每顆 TRISO 燃料微粒只有罌粟籽大小,將鈾芯封裝在多層結構中,能困住放射性物質並承受高達1800攝氏度的溫度,超出反應爐事故時的預期溫度範圍。

該燃料亦具熱傳導能力,當核心過熱時可自行降溫,或可減少對複雜反應爐安全系統的需求,Touran 表示。

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這類安全創新對核能擴展至關重要。「推動核能的一大障礙,是人們對風險的感知。」美籍評論員查爾斯·奧本海默表示,他希望公眾能超越恐懼,關注支撐該行業的科學、工程與安全標準。

另一個挑戰,正如他祖父 J. Robert Oppenheimer —— 原子彈之父 —— 曾面對的一樣,是在生產核燃料時同時避免把它變成武器;他提醒道:「我們可以建立一套全球受惠於這門科學、而非被它威嚇的制度。」

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GOING BEYOND URANIUM

無論是科學還是地緣政治,亦都促使其他國家尋找減少對陸地鈾依賴的方法。按現今消耗速度計算,陸地鈾儲量大約可維持120至130年。

「地緣政治可能意味著,即使鈾是可得,你也未必能購得它。」厦門大學能源政策研究院院長林伯強說。

中國進口超過80%的鈾,現正測試以鎶石為燃料的熔鹽反應堆,於戈壁沙漠進行研究。

與水冷反應堆在高壓下運作不同,熔鹽反應堆在高溫下不會沸騰;若過熱,燃料會流入貯存槽;若出現洩漏,鹽溶液會冷卻並在放射性物質周圍硬化。

支持鎶石的人士認為它能以較少燃料獲得更多能量、產生更少廢物與輻射、並較難被武器化。

根據林的說法,中國的儲量可滿足約1萬年的需求。但第一步是於2035年前推出一座100兆瓦熱功示範反應爐,足以為成千上萬戶家庭提供能源。

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印度同樣擁有龐大的鎶石儲量,正走向更獨立的能源未來。

「在印度,鎶石主要是在海灘沙中找到… 整個海岸線幾乎都是鎶石。」印度原子能委員會前任主席 Anil Kakodkar 如是說。

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「我們現在正處於一個極佳的機會,不僅能解決能源需求,也可成為主要的能源供應國。」

印度現時運作24座反應堆,並計劃到2047年將核能容量提高十一次方。鎶石在其戰略中占核心地位,但要把抱負轉化為商業現實仍需時間。

目前印度與美國 Clean Core Thorium Energy 簽署協議,部署以鎶石與HALEU 為燃料混合物,設計用於重水反應堆;科學家亦在探索鎶石如何協助以鈾為燃料的反應堆。

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展望更長遠,科學家正憧憬聚變技術——通過結合原子釋放能量,這是太陽的能量來源。

要在地球再現聚變,需要把氫融合成等離子體,在超過一億攝氏度的高溫下,並以接近-270攝氏度的強磁場穩定控制。

「宇宙中最冷的東西就只在你眼前幾步之遙,卻是宇宙中最熱的東西。」 Touran 表示。

為了承受這些極端與快速中子的輻射,中國已研發出耐輻射的超級鋼。其實驗性高溫等離子體裝置已能在接近太陽核心七倍溫度下,維持等離子體超過17分鐘。

WATCH: The nuclear comeback — What will it take to power it? (44:59)

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在英國,政府已承諾投放25億英鎊(約34億美元)資助聚變研究與開發,研究人員正在研製能減少放射性廢物的鋼材。

但即使聚變裝置能運作,燃料也仍是難題。聚變通常結合海水中的氘與一種罕見的氫同位素氚,這些都是核反應過程的副產物。

以英國 Astral Systems 與日本 Kyoto Fusioneering 為代表的公司,正在研究提高氚供應的方法。

氦-3 也可與氘聚變,但不產生長壽命放射性廢物或會損壞反應堆部件的中子。不過最豐富的此類氦-3 儲量卻在月球上。

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中國的嫦娥五號任務在2020年帶回含氦-3 的月球土壤。如今,美國 Magna Petra 公司正開發技術,從月球塵埃中回收氦-3。CEO Jeffrey Max 表示:『這是通往清潔能源的終極、無限燃料。』

有一件事是明確的:地球的能源需求日增,推動人們不斷突破可能的界限。

觀看本系列《The Nuclear Option》的最新集數:Episode 3 與 Episode 4。

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穎欣

穎欣

我長期關注香港政治、公共政策與公民社會,希望透過清晰而有脈絡的文字,把複雜議題說得更容易理解。對我而言,新聞不只是記錄當下,更是理解社會如何改變的一種方式。