追求核燃料闭路循环，ANS正面应对各种挑战

美国核学会(ANS)麾下的燃料循环与废物管理执委会，15日在《ANS News》上发文，重提美国核学会(ANS)前主席安迪·克莱因(Andy Klein)2017年ANS年会上宣布的倡议，狠抓“小型模块化后处理设施核燃料闭路循环”，寓意重大……[1]

US NRC核燃料循环图示(美国在乏核燃料后处理，包括混合-氧化物燃料方面，没有经验)。

似乎就在昨天，美国核学会(ANS)前主席安迪·克莱因(Andy Klein)宣布，ANS需要解决9个核的重大挑战，以确保现有和新兴的核技术有利于当前和未来一代。ANS燃料循环和废物管理部(FCWMD)，立即在随后的ANS会议上通过主办关于这一主题的经常性小组会议，抓核燃料闭路循环的重大挑战。

自克莱因主席在2017年ANS年会上宣布这个倡议以来，该部门已经主持了四次小组会议和另外几次关于核燃料闭环的支持性会议。该部门最近的小组会议，“小型模块化后处理设施核燃料闭路循环”在2021年ANS虚拟年会期间举行，注册的与会者可以获得记录。

这些小组会议讨论的主题包括燃料闭路循环选择;联邦、商业或混合拥有的后处理设施;使用小型模块化后处理设施实现核燃料闭环;以及后处理的经济考虑。

重要性：为什么核燃料闭环很重要，它与美国现在的做法有什么不同?目前，美国使用开式核燃料循环：在铀矿中回收的铀是U3O8，转化为六氟化铀，制成核燃料之前，先浓缩铀-235含量为3-5%。这种燃料在堆中辐照以产生无碳排放的电力，并在反应堆中待18-24个月后卸出堆芯，放入乏燃料水池。在这一点上，辐照过的燃料或乏燃料，称之为高放废物，经适当的冷却时间后，放入干桶中存放作为临时措施，直到建成永久性的地质处置库。

主张维持目前开放燃料循环的倡导者经常指出，目前铀的低成本和大量库存，以及与燃料闭路循环相比，开式燃料循环经济效益好，核扩散风险低。

库存量大：开式燃料循环的主要缺点是导致铀库存量非常大，大约86000吨商用乏燃料储存在美国几十个核电现场，等待地质处置。这比拟议的尤卡山( Yucca Mountain)地质处置库的7万吨库容还要大，意味着至少还需要一个处置库，储存国家的商业乏燃料。

此外，大约96 % 用过的燃料既含易裂变元素、也含可增殖元素，可再循环成为新的燃料，意味着大量潜在的能源被浪费了。处置用过的燃料，类似买一令纸(500张)，用20张纸，剩下的全扔掉。核燃料通过化学分离(即后处理)和再循环用过的燃料中的有用的元素(如铀和钚)，只在永久处置库中处置放射性最强的成分来解决这些问题。目前法国在使用这种方法，可大大减少需要永久性处置废物的体积和放射毒性。

现在是时候了：美国现在有个极好的机会最终实现核燃料闭路循环，因为出现了先进的快堆，可以最大限度地消耗易裂变材料。美国能源部赞助的2014年燃料循环选择研究，支持这个主张。这个研究发现，相对于目前的开式燃料循环，三个最有潜力的燃料循环，有可能最大限度地利用资源，减少需要地质处理的废物量，包括通过快堆连续再循环阿系元素，实现核燃料闭路循环。此外，化学分离、核保障技术和施工技术的进步，可能使现代核燃料后处理设施的经济建设，能够维持或改进现有的核保障措施，减轻对成本和核扩散的担忧。

无论美国继续使用开式燃料循环还是采用燃料闭路循环，都必须有个永久性的处置场。美国花了多年时间建立和特许的尤卡山的处置库，直到2010年该项目因政治挑战，基本上被放弃了。

一线曙光：虽然永久性处置设施选址，与其说是技术上的挑战，不如说是政治上的挑战， 但仍有一线曙光。2021年11月30日，美国能源部启动‘基于同意’的选址规划，要求提供关于乏燃料临时集中储存设施的意见。虽然临时集中储存不是永久处置，但许多人认为，将用过的燃料合并在一个或两个集中储存的现场，而不是分散在几十个反应堆现场，是迈向永久处置的重要一步。此外，人们对其他选择如深钻孔处置，也越来越感兴趣。

核燃料闭路循环包括永久性地质处置库，是个理想的解决方案，能使这个国家最大限度地利用资源，最大限度地减少废物，安全可靠地储存少量的高放废物。

美国怎么实现核燃料闭路循环，最终处置方案会是什么样子，还有待观察。与此同时，ANS 燃料循环和废物管理部将继续举办关于核燃料闭路循环，以及临时和永久处置的书面讨论会、专题讨论会和网络研讨会，使核学界及时了解这些领域的最新发展，推动分享新观念。

启示与见解

美国政府实行核燃料开式循环，理由是天然铀资源储量丰富，燃料成本低，核扩散风险最小。以为自己带头，其他国家也会“仿效”，但成效甚微。世界核大国都“各行其是”，只有中、小国家和没有核“野心”的国家，在实行核燃料开式循环...

全球气候危机迫使能源转型，核能的辅佐、支撑作用无可替代，发展小型模块式反应堆和先进堆是世界多数国家和有识之士的共同认识。这既需要高含量低浓缩铀(HALEU)，从保护环境考虑，核燃料闭路循环也是必然趋势。美国ANS狠抓“小型模块化后处理设施核燃料闭路循环”，是重大进步!

发展核能，不同国家有不同的政策，应予以尊重，但确保核安全是共同责任。现代核电(包括第三代+)最适合堆芯功率长期稳定运行，任何改进不应增加异常情况停堆及其后对专设安全系统设施的可靠性挑战。

全世界需要保护环境，能源界需要能源转型，核能界也要有新观念，面对各方面的挑战，做出重大改进。核燃料(包括乏燃料)闭环运行，不仅给可再生能源系统有力支撑，使现有的高防核废物“变废为宝”，还有可能使自身成为“可再生能源系统”，给世界提供核能几千年。核工业需要深地处置的不是核材料，只是没有处理、回收价值的长寿命核沾污物(材料与零部件)...

依据资料：

ANS FCWMD Executive Committee，ANS Grand Challenge: Closing the nuclear fuel cycle，ANS Nuclear News，February 15, 2022