美國乏核燃料“后處理”面臨的挑戰(zhàn)

《國際核工程》雜志網(wǎng)(NEI)十月初發(fā)文，報道了安德魯·圖尼克利夫(Andrew Tunnicliffe)與美國核學(xué)會(ANS)主席蒂文·內(nèi)斯比特(Steven Nesbit)和美國核學(xué)會(ANS)公共政策委員會副主席斯文·貝德(Sven Bader)的談話[1]。主題是在美國，隨著用過的核燃料(又稱乏核燃料)不斷堆積，除了深地處置外，從未像現(xiàn)在這么迫切需要尋找另一解決方案。談到如何從技術(shù)上幫助解決這個問題，以及現(xiàn)在監(jiān)管機構(gòu)需要做些什么，以避免未來更大的問題。他們一致認為，不利的經(jīng)濟、監(jiān)管方面的不確定性和過去的決定等因素，繼續(xù)阻礙對用過的核燃料進行商業(yè)后處理，而新一代核反應(yīng)堆即將問世，從這個意義上說，更加迫切地需要制定一項規(guī)則決議。內(nèi)斯比特說，“如果最終要在美國大規(guī)模采用再循環(huán)或后處理技術(shù)，就必須在經(jīng)濟、安全和價值主張的基礎(chǔ)上自立。”

用過的核燃料目前在反應(yīng)堆現(xiàn)場的干桶儲存，等待臨時的綜合儲存或最終處置解決方案。

今天美國用的所有的鈾，幾乎全進口，大多來自加拿大和澳大利亞。

然而，在上個世紀中葉，美國曾享受鈾礦開采的某種繁榮。除了生產(chǎn)鈾，還走上核燃料后處理的道路。在西谷，有一家商用設(shè)施在運營，另外兩個正在建設(shè)：通用電氣在伊利諾斯州的莫里斯廠(Morris)和聯(lián)合核服務(wù)公司(Allied-General Nuclear Service)在南卡羅來納州的巴恩韋爾再處理廠。但是，這種情況僅僅持續(xù)到20世紀70年代末。

至于什么導(dǎo)致后處理減少，有很多爭論。某些行業(yè)觀察人士認為，就是經(jīng)濟;另一些人則認為，是缺乏政治意愿;但大多數(shù)人認為，是核不擴散，當時恰值冷戰(zhàn)最危險期。很可能是這些，甚至更多。

西谷示范項目是美國唯一的商用后處理廠

應(yīng)該說，目前美國正在進行后處理，只是規(guī)模很小，而且主要是在能源部(DOE)擁有的乏核燃料設(shè)施中。這種并非商業(yè)的后處理，不受核管理委員會(NRC)的監(jiān)管。

今天阻礙商業(yè)后處理的，仍然是多個錯綜復(fù)雜的問題。2021年6月，《催化劑》雜志的一篇文章發(fā)問，“美國為什么不再后處理乏核燃料?” 這就是說，這個問題是“政治問題”，但美國核學(xué)會(ANS)公共政策委員會副主席、奧拉諾聯(lián)邦服務(wù)有限責(zé)任公司(Orano Federal Services)技術(shù)顧問斯文·巴德(Sven Bader)不同意這個說法。對他來說，爭議點主要是經(jīng)濟因素，但解決問題必須包括減少投資的不確定性，就是要解決過時而笨拙的監(jiān)管構(gòu)架。他說，監(jiān)管機構(gòu)“制定規(guī)則的資源數(shù)量有限”，再加上，采取行動需要時間。

1977年，當時的總統(tǒng)卡特停止進行商業(yè)后處理，因為擔(dān)心核擴散。恰好四年后，里根總統(tǒng)推翻了這個決定。盡管里根廢除了原來的決定，但實際做法并沒有真正獲得支持，主要因為經(jīng)濟。

巴德說，“目前美國不做任何商業(yè)后處理，主要是經(jīng)濟上的各種原因。只是我們開采、轉(zhuǎn)化、濃縮和研磨的原材料沒有競爭力。”

ANS核學(xué)會主席、LMNT咨詢公司總裁史蒂文·內(nèi)斯比特(Steven Nesbit)也認為，今天的情況是上個世紀70年代做出決定的結(jié)果。他說，“當你回到過去，你可以說，其他大多數(shù)有核國家都把后處理納入其燃料循環(huán)通道，英國和法國一直在走這條路。”“美國做出不同的決定，所走道路不同，既不再循環(huán)也不后處理。”里根推翻的那個決定，給現(xiàn)在的美國奠定了基礎(chǔ)。

據(jù)內(nèi)斯比特說，鈾的成本相當?shù)停偌由咸幚硌b置的研發(fā)成本相當可觀，一直令人望而卻步。他說，“這是上個世紀70年代的決策和當今經(jīng)濟形勢結(jié)合。后處理設(shè)施的建造成本非常昂貴，要是鈾價格足夠低的話，可以‘從零開始’而且更便宜，那就很難找到再循環(huán)燃料并回收這種材料的經(jīng)濟正當性的理由。”

另一個重大障礙是監(jiān)管環(huán)境的不確定性。核能的利益攸關(guān)方開始對目前的形勢表示不滿。制定規(guī)則的工作在進行中，但這個過程一直非常緩慢，而且證明是這個部門演進的重大障礙。實際上，這個進程基本上停滯了，使許多人不敢著手這個進程。

巴德說，這種不確定性一直證明，投資者目前不愿承擔(dān)巨大的風(fēng)險。他提請注意，他所說的法規(guī)中的“差距”已存在多年，例如，“要求在10年內(nèi)把產(chǎn)生的任何高放廢物作為后處理的組成部分，放入處置庫”。他說，“如果有個可用的處置庫，那好極了;但沒有處置庫，就是個巨大的風(fēng)險，也是眼前的挑戰(zhàn)。”

ANS與能源解決方案公司、核能研究所和西屋公司一樣，去年還敦促NRC加快其工作進程。ANS執(zhí)行董事兼首席執(zhí)行官克雷格·H皮爾西(Craig H Piercy)在給NRC的一封信中說，“任何有意義的、顯著減少空氣污染和碳排放的努力，都必須包括讓核能發(fā)揮巨大、長期和可持續(xù)的重要作用。”

他補充說，隨著反應(yīng)堆技術(shù)的進步和核燃料的可用性，盡量減少核廢物是“確保核能長期可持續(xù)性的關(guān)鍵因素”。他在信中說，“制定規(guī)則是個審慎的過程，重要的是提交任何許可證申請之前建立一個綜合的監(jiān)管構(gòu)架。”此外，完善的后處理規(guī)章制度會支持未來的各種選擇、潛在的創(chuàng)新、用過的燃料管理，以及利用先進堆的清潔能源生產(chǎn)。

內(nèi)斯比特認為，先進堆越來越強烈地要求制定某些規(guī)則。他說，“我們ANS的立場是，不僅關(guān)注當前的核技術(shù)和電力，而且要著眼未來。我們看到了希望在未來十年左右、或許與先進堆相結(jié)合的部署后處理和再循環(huán)設(shè)施的可能性。”

內(nèi)斯比特說，2020年寫給NRC的信，反映了這個現(xiàn)實和對可行框架的需求。“雖然并不立即要確定監(jiān)管架構(gòu)，但我們認為是時候了，必須提前做準備。如果NRC將來再確定監(jiān)管框架，美國就不可能在各地涌現(xiàn)大量再循環(huán)設(shè)施，但必須這么做，也希望他們繼續(xù)做。”

先進堆的前景是真實的。據(jù)估計，目前僅在美國就約有75個先進堆概念。鑒于快堆有重新利用乏核燃料的能力，越來越有吸引力。隨著最新技術(shù)從研發(fā)轉(zhuǎn)向商業(yè)化，能使供電商在現(xiàn)場重復(fù)利用少量乏燃料。巴德對此特別滿懷希望，認為這種技術(shù)甚至能解決NRC制定規(guī)則中面臨的某些挑戰(zhàn)。

然而，兩人都認為，乏燃料再循環(huán)的一個重要理由是“代際”不公平。巴德說，“有些事情，我們談?wù)摬欢?rdquo;，“我們現(xiàn)在生產(chǎn)核廢物，卻留給下一代處理。”內(nèi)斯比特贊同并補充說，今天處理這個問題才是正確的做法。

美國不倫瑞克(Brunswick)核電廠的核燃料儲存

然而他說，到目前為止，美國安全有效地儲存核廢料，在某些方面，解決了最終處置的障礙。“多年來，我們一直在安全、可靠地管理核燃料，今后還會繼續(xù)這樣做。”因此他警告說，“沒有確鑿的證據(jù)表明我們明天必須解決它，但這是問題的一部分，因為它給了人們把問題拖下去的機會。”

要使后處理成為美國及其核燃料循環(huán)的下一個前沿，還有很多事情要做。NRC必須采取有意義的步驟，改進監(jiān)管框架，而后處理必須變得更加經(jīng)濟。內(nèi)斯比特警告說，“如果最終要在美國大規(guī)模采用再循環(huán)或后處理，就必須在經(jīng)濟、安全和價值主張的基礎(chǔ)上自立。”

然而巴德認為，反應(yīng)堆技術(shù)的進步可能很快就會創(chuàng)造出這種環(huán)境。他說，“許多新概念都著眼于先進堆和快堆，它們都能燃燒再循環(huán)的MOX燃料。”

他還關(guān)注另一個要素。就是他把美國及其目前選址儲存的大量乏燃料，比作沙特阿拉伯王國及其豐富的石油儲備。他說，“我們有8萬噸……如果需要的話，我們有足夠的資源可以利用。”不管怎樣，這種“資源”都會發(fā)揮某種作用。在極端氣候意識覺醒的時代，在重復(fù)利用成為“時尚”的時代，為什么不把我們能利用的所有東西，都從乏燃料中提取出來? 俗話說，“一個人的垃圾，是另一個人的寶藏”，這是真理。

結(jié)語

大凡有核國家，都有核廢料和核廢物處理或處置問題。這既是政治問題，也是經(jīng)濟問題，甚至還有代際公平考慮，處理起來比較復(fù)雜。但經(jīng)濟考慮是主要的。

站在國家立場，既要考慮政治，也要考慮技術(shù)和經(jīng)濟，尊重技術(shù)和經(jīng)濟專家的意見。美國在這方面走在世界前面，商用核廢料和核廢物采取地面暫存政策，有問題，但問題不大。英國因技術(shù)原因(鎂鋁包殼燃料元件)，法國、日本設(shè)想壓縮乏核廢料的體積，走上后處理-再循環(huán)的道路?，F(xiàn)在看來，關(guān)鍵是“濕法”后處理-再循環(huán)，技術(shù)、經(jīng)濟問題較多，濕法工藝的成本是高溫后處理工藝的7倍[2]。

世界各國都在探索“干法”后處理-再循環(huán)，但MOX工藝、快堆或熱譜堆內(nèi)再循環(huán)沒有取得實質(zhì)性進展，燃料制造工藝在經(jīng)濟上還難于承受……

目前只有第四代先進快堆和微堆技術(shù)，換料周期長，甚至壽期不換料，特別是熔鹽快堆的乏燃料“干式”后處理-再循環(huán)技術(shù)透露出希望[3]。如經(jīng)實驗證實工藝簡單，標準是“經(jīng)濟、安全和價值主張基礎(chǔ)上自立”，才能在氣候危機、減排、能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時刻，在經(jīng)濟上拉核能一把。

資料與注釋：

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，美國奧克勞公司(Oklo)的奧羅拉(Aurora)微堆設(shè)計，運行壽期20年內(nèi)不換料;英國Moltex能源公司的SSR-W，平準化能源成本(LCOE)的平均成本估計值為 $44.64/MWh，遠低于EIA對新燃煤和燃氣發(fā)電機組的成本預(yù)測;美國Elysium公司的高溫后處理工藝，成本低于濃縮鈾。