美国乏核燃料“后处理”面临的挑战

《国际核工程》杂志网(NEI)十月初发文，报道了安德鲁·图尼克利夫(Andrew Tunnicliffe)与美国核学会(ANS)主席蒂文·内斯比特(Steven Nesbit)和美国核学会(ANS)公共政策委员会副主席斯文·贝德(Sven Bader)的谈话[1]。主题是在美国，随着用过的核燃料(又称乏核燃料)不断堆积，除了深地处置外，从未像现在这么迫切需要寻找另一解决方案。谈到如何从技术上帮助解决这个问题，以及现在监管机构需要做些什么，以避免未来更大的问题。他们一致认为，不利的经济、监管方面的不确定性和过去的决定等因素，继续阻碍对用过的核燃料进行商业后处理，而新一代核反应堆即将问世，从这个意义上说，更加迫切地需要制定一项规则决议。内斯比特说，“如果最终要在美国大规模采用再循环或后处理技术，就必须在经济、安全和价值主张的基础上自立。”

用过的核燃料目前在反应堆现场的干桶储存，等待临时的综合储存或最终处置解决方案。

今天美国用的所有的铀，几乎全进口，大多来自加拿大和澳大利亚。

然而，在上个世纪中叶，美国曾享受铀矿开采的某种繁荣。除了生产铀，还走上核燃料后处理的道路。在西谷，有一家商用设施在运营，另外两个正在建设：通用电气在伊利诺斯州的莫里斯厂(Morris)和联合核服务公司(Allied-General Nuclear Service)在南卡罗来纳州的巴恩韦尔再处理厂。但是，这种情况仅仅持续到20世纪70年代末。

至于什么导致后处理减少，有很多争论。某些行业观察人士认为，就是经济;另一些人则认为，是缺乏政治意愿;但大多数人认为，是核不扩散，当时恰值冷战最危险期。很可能是这些，甚至更多。

西谷示范项目是美国唯一的商用后处理厂

应该说，目前美国正在进行后处理，只是规模很小，而且主要是在能源部(DOE)拥有的乏核燃料设施中。这种并非商业的后处理，不受核管理委员会(NRC)的监管。

今天阻碍商业后处理的，仍然是多个错综复杂的问题。2021年6月，《催化剂》杂志的一篇文章发问，“美国为什么不再后处理乏核燃料?” 这就是说，这个问题是“政治问题”，但美国核学会(ANS)公共政策委员会副主席、奥拉诺联邦服务有限责任公司(Orano Federal Services)技术顾问斯文·巴德(Sven Bader)不同意这个说法。对他来说，争议点主要是经济因素，但解决问题必须包括减少投资的不确定性，就是要解决过时而笨拙的监管构架。他说，监管机构“制定规则的资源数量有限”，再加上，采取行动需要时间。

1977年，当时的总统卡特停止进行商业后处理，因为担心核扩散。恰好四年后，里根总统推翻了这个决定。尽管里根废除了原来的决定，但实际做法并没有真正获得支持，主要因为经济。

巴德说，“目前美国不做任何商业后处理，主要是经济上的各种原因。只是我们开采、转化、浓缩和研磨的原材料没有竞争力。”

ANS核学会主席、LMNT咨询公司总裁史蒂文·内斯比特(Steven Nesbit)也认为，今天的情况是上个世纪70年代做出决定的结果。他说，“当你回到过去，你可以说，其他大多数有核国家都把后处理纳入其燃料循环通道，英国和法国一直在走这条路。”“美国做出不同的决定，所走道路不同，既不再循环也不后处理。”里根推翻的那个决定，给现在的美国奠定了基础。

据内斯比特说，铀的成本相当低，再加上处理装置的研发成本相当可观，一直令人望而却步。他说，“这是上个世纪70年代的决策和当今经济形势结合。后处理设施的建造成本非常昂贵，要是铀价格足够低的话，可以‘从零开始’而且更便宜，那就很难找到再循环燃料并回收这种材料的经济正当性的理由。”

另一个重大障碍是监管环境的不确定性。核能的利益攸关方开始对目前的形势表示不满。制定规则的工作在进行中，但这个过程一直非常缓慢，而且证明是这个部门演进的重大障碍。实际上，这个进程基本上停滞了，使许多人不敢着手这个进程。

巴德说，这种不确定性一直证明，投资者目前不愿承担巨大的风险。他提请注意，他所说的法规中的“差距”已存在多年，例如，“要求在10年内把产生的任何高放废物作为后处理的组成部分，放入处置库”。他说，“如果有个可用的处置库，那好极了;但没有处置库，就是个巨大的风险，也是眼前的挑战。”

ANS与能源解决方案公司、核能研究所和西屋公司一样，去年还敦促NRC加快其工作进程。ANS执行董事兼首席执行官克雷格·H皮尔西(Craig H Piercy)在给NRC的一封信中说，“任何有意义的、显著减少空气污染和碳排放的努力，都必须包括让核能发挥巨大、长期和可持续的重要作用。”

他补充说，随着反应堆技术的进步和核燃料的可用性，尽量减少核废物是“确保核能长期可持续性的关键因素”。他在信中说，“制定规则是个审慎的过程，重要的是提交任何许可证申请之前建立一个综合的监管构架。”此外，完善的后处理规章制度会支持未来的各种选择、潜在的创新、用过的燃料管理，以及利用先进堆的清洁能源生产。

内斯比特认为，先进堆越来越强烈地要求制定某些规则。他说，“我们ANS的立场是，不仅关注当前的核技术和电力，而且要着眼未来。我们看到了希望在未来十年左右、或许与先进堆相结合的部署后处理和再循环设施的可能性。”

内斯比特说，2020年写给NRC的信，反映了这个现实和对可行框架的需求。“虽然并不立即要确定监管架构，但我们认为是时候了，必须提前做准备。如果NRC将来再确定监管框架，美国就不可能在各地涌现大量再循环设施，但必须这么做，也希望他们继续做。”

先进堆的前景是真实的。据估计，目前仅在美国就约有75个先进堆概念。鉴于快堆有重新利用乏核燃料的能力，越来越有吸引力。随着最新技术从研发转向商业化，能使供电商在现场重复利用少量乏燃料。巴德对此特别满怀希望，认为这种技术甚至能解决NRC制定规则中面临的某些挑战。

然而，两人都认为，乏燃料再循环的一个重要理由是“代际”不公平。巴德说，“有些事情，我们谈论不多”，“我们现在生产核废物，却留给下一代处理。”内斯比特赞同并补充说，今天处理这个问题才是正确的做法。

美国不伦瑞克(Brunswick)核电厂的核燃料储存

然而他说，到目前为止，美国安全有效地储存核废料，在某些方面，解决了最终处置的障碍。“多年来，我们一直在安全、可靠地管理核燃料，今后还会继续这样做。”因此他警告说，“没有确凿的证据表明我们明天必须解决它，但这是问题的一部分，因为它给了人们把问题拖下去的机会。”

要使后处理成为美国及其核燃料循环的下一个前沿，还有很多事情要做。NRC必须采取有意义的步骤，改进监管框架，而后处理必须变得更加经济。内斯比特警告说，“如果最终要在美国大规模采用再循环或后处理，就必须在经济、安全和价值主张的基础上自立。”

然而巴德认为，反应堆技术的进步可能很快就会创造出这种环境。他说，“许多新概念都着眼于先进堆和快堆，它们都能燃烧再循环的MOX燃料。”

他还关注另一个要素。就是他把美国及其目前选址储存的大量乏燃料，比作沙特阿拉伯王国及其丰富的石油储备。他说，“我们有8万吨……如果需要的话，我们有足够的资源可以利用。”不管怎样，这种“资源”都会发挥某种作用。在极端气候意识觉醒的时代，在重复利用成为“时尚”的时代，为什么不把我们能利用的所有东西，都从乏燃料中提取出来? 俗话说，“一个人的垃圾，是另一个人的宝藏”，这是真理。

结语

大凡有核国家，都有核废料和核废物处理或处置问题。这既是政治问题，也是经济问题，甚至还有代际公平考虑，处理起来比较复杂。但经济考虑是主要的。

站在国家立场，既要考虑政治，也要考虑技术和经济，尊重技术和经济专家的意见。美国在这方面走在世界前面，商用核废料和核废物采取地面暂存政策，有问题，但问题不大。英国因技术原因(镁铝包壳燃料元件)，法国、日本设想压缩乏核废料的体积，走上后处理-再循环的道路。现在看来，关键是“湿法”后处理-再循环，技术、经济问题较多，湿法工艺的成本是高温后处理工艺的7倍[2]。

世界各国都在探索“干法”后处理-再循环，但MOX工艺、快堆或热谱堆内再循环没有取得实质性进展，燃料制造工艺在经济上还难于承受……

目前只有第四代先进快堆和微堆技术，换料周期长，甚至寿期不换料，特别是熔盐快堆的乏燃料“干式”后处理-再循环技术透露出希望[3]。如经实验证实工艺简单，标准是“经济、安全和价值主张基础上自立”，才能在气候危机、减排、能源转型的关键时刻，在经济上拉核能一把。

资料与注释：

1 Andrew Tunnicliffe, Regulating change–the challenge facing US reprocessing, NEI, 6 October 2021

2 Paul Day, High costs, proliferation concerns feed doubts over waste recycling, Reuters Events, Nov 24, 2021

3 例如，美国奥克劳公司(Oklo)的奥罗拉(Aurora)微堆设计，运行寿期20年内不换料;英国Moltex能源公司的SSR-W，平准化能源成本(LCOE)的平均成本估计值为 $44.64/MWh，远低于EIA对新燃煤和燃气发电机组的成本预测;美国Elysium公司的高温后处理工艺，成本低于浓缩铀。