追求核燃料閉路循環(huán)，ANS正面應(yīng)對各種挑戰(zhàn)

美國核學(xué)會(ANS)麾下的燃料循環(huán)與廢物管理執(zhí)委會，15日在《ANS News》上發(fā)文，重提美國核學(xué)會(ANS)前主席安迪·克萊因(Andy Klein)2017年ANS年會上宣布的倡議，狠抓“小型模塊化后處理設(shè)施核燃料閉路循環(huán)”，寓意重大……[1]

US NRC核燃料循環(huán)圖示(美國在乏核燃料后處理，包括混合-氧化物燃料方面，沒有經(jīng)驗)。

似乎就在昨天，美國核學(xué)會(ANS)前主席安迪·克萊因(Andy Klein)宣布，ANS需要解決9個核的重大挑戰(zhàn)，以確?，F(xiàn)有和新興的核技術(shù)有利于當(dāng)前和未來一代。ANS燃料循環(huán)和廢物管理部(FCWMD)，立即在隨后的ANS會議上通過主辦關(guān)于這一主題的經(jīng)常性小組會議，抓核燃料閉路循環(huán)的重大挑戰(zhàn)。

自克萊因主席在2017年ANS年會上宣布這個倡議以來，該部門已經(jīng)主持了四次小組會議和另外幾次關(guān)于核燃料閉環(huán)的支持性會議。該部門最近的小組會議，“小型模塊化后處理設(shè)施核燃料閉路循環(huán)”在2021年ANS虛擬年會期間舉行，注冊的與會者可以獲得記錄。

這些小組會議討論的主題包括燃料閉路循環(huán)選擇;聯(lián)邦、商業(yè)或混合擁有的后處理設(shè)施;使用小型模塊化后處理設(shè)施實現(xiàn)核燃料閉環(huán);以及后處理的經(jīng)濟(jì)考慮。

重要性：為什么核燃料閉環(huán)很重要，它與美國現(xiàn)在的做法有什么不同?目前，美國使用開式核燃料循環(huán)：在鈾礦中回收的鈾是U3O8，轉(zhuǎn)化為六氟化鈾，制成核燃料之前，先濃縮鈾-235含量為3-5%。這種燃料在堆中輻照以產(chǎn)生無碳排放的電力，并在反應(yīng)堆中待18-24個月后卸出堆芯，放入乏燃料水池。在這一點上，輻照過的燃料或乏燃料，稱之為高放廢物，經(jīng)適當(dāng)?shù)睦鋮s時間后，放入干桶中存放作為臨時措施，直到建成永久性的地質(zhì)處置庫。

主張維持目前開放燃料循環(huán)的倡導(dǎo)者經(jīng)常指出，目前鈾的低成本和大量庫存，以及與燃料閉路循環(huán)相比，開式燃料循環(huán)經(jīng)濟(jì)效益好，核擴(kuò)散風(fēng)險低。

庫存量大：開式燃料循環(huán)的主要缺點是導(dǎo)致鈾庫存量非常大，大約86000噸商用乏燃料儲存在美國幾十個核電現(xiàn)場，等待地質(zhì)處置。這比擬議的尤卡山( Yucca Mountain)地質(zhì)處置庫的7萬噸庫容還要大，意味著至少還需要一個處置庫，儲存國家的商業(yè)乏燃料。

此外，大約96 % 用過的燃料既含易裂變元素、也含可增殖元素，可再循環(huán)成為新的燃料，意味著大量潛在的能源被浪費了。處置用過的燃料，類似買一令紙(500張)，用20張紙，剩下的全扔掉。核燃料通過化學(xué)分離(即后處理)和再循環(huán)用過的燃料中的有用的元素(如鈾和钚)，只在永久處置庫中處置放射性最強(qiáng)的成分來解決這些問題。目前法國在使用這種方法，可大大減少需要永久性處置廢物的體積和放射毒性。

現(xiàn)在是時候了：美國現(xiàn)在有個極好的機(jī)會最終實現(xiàn)核燃料閉路循環(huán)，因為出現(xiàn)了先進(jìn)的快堆，可以最大限度地消耗易裂變材料。美國能源部贊助的2014年燃料循環(huán)選擇研究，支持這個主張。這個研究發(fā)現(xiàn)，相對于目前的開式燃料循環(huán)，三個最有潛力的燃料循環(huán)，有可能最大限度地利用資源，減少需要地質(zhì)處理的廢物量，包括通過快堆連續(xù)再循環(huán)阿系元素，實現(xiàn)核燃料閉路循環(huán)。此外，化學(xué)分離、核保障技術(shù)和施工技術(shù)的進(jìn)步，可能使現(xiàn)代核燃料后處理設(shè)施的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，能夠維持或改進(jìn)現(xiàn)有的核保障措施，減輕對成本和核擴(kuò)散的擔(dān)憂。

無論美國繼續(xù)使用開式燃料循環(huán)還是采用燃料閉路循環(huán)，都必須有個永久性的處置場。美國花了多年時間建立和特許的尤卡山的處置庫，直到2010年該項目因政治挑戰(zhàn)，基本上被放棄了。

一線曙光：雖然永久性處置設(shè)施選址，與其說是技術(shù)上的挑戰(zhàn)，不如說是政治上的挑戰(zhàn)， 但仍有一線曙光。2021年11月30日，美國能源部啟動‘基于同意’的選址規(guī)劃，要求提供關(guān)于乏燃料臨時集中儲存設(shè)施的意見。雖然臨時集中儲存不是永久處置，但許多人認(rèn)為，將用過的燃料合并在一個或兩個集中儲存的現(xiàn)場，而不是分散在幾十個反應(yīng)堆現(xiàn)場，是邁向永久處置的重要一步。此外，人們對其他選擇如深鉆孔處置，也越來越感興趣。

核燃料閉路循環(huán)包括永久性地質(zhì)處置庫，是個理想的解決方案，能使這個國家最大限度地利用資源，最大限度地減少廢物，安全可靠地儲存少量的高放廢物。

美國怎么實現(xiàn)核燃料閉路循環(huán)，最終處置方案會是什么樣子，還有待觀察。與此同時，ANS 燃料循環(huán)和廢物管理部將繼續(xù)舉辦關(guān)于核燃料閉路循環(huán)，以及臨時和永久處置的書面討論會、專題討論會和網(wǎng)絡(luò)研討會，使核學(xué)界及時了解這些領(lǐng)域的最新發(fā)展，推動分享新觀念。

啟示與見解

美國政府實行核燃料開式循環(huán)，理由是天然鈾資源儲量豐富，燃料成本低，核擴(kuò)散風(fēng)險最小。以為自己帶頭，其他國家也會“仿效”，但成效甚微。世界核大國都“各行其是”，只有中、小國家和沒有核“野心”的國家，在實行核燃料開式循環(huán)...

全球氣候危機(jī)迫使能源轉(zhuǎn)型，核能的輔佐、支撐作用無可替代，發(fā)展小型模塊式反應(yīng)堆和先進(jìn)堆是世界多數(shù)國家和有識之士的共同認(rèn)識。這既需要高含量低濃縮鈾(HALEU)，從保護(hù)環(huán)境考慮，核燃料閉路循環(huán)也是必然趨勢。美國ANS狠抓“小型模塊化后處理設(shè)施核燃料閉路循環(huán)”，是重大進(jìn)步!

發(fā)展核能，不同國家有不同的政策，應(yīng)予以尊重，但確保核安全是共同責(zé)任。現(xiàn)代核電(包括第三代+)最適合堆芯功率長期穩(wěn)定運行，任何改進(jìn)不應(yīng)增加異常情況停堆及其后對專設(shè)安全系統(tǒng)設(shè)施的可靠性挑戰(zhàn)。

全世界需要保護(hù)環(huán)境，能源界需要能源轉(zhuǎn)型，核能界也要有新觀念，面對各方面的挑戰(zhàn)，做出重大改進(jìn)。核燃料(包括乏燃料)閉環(huán)運行，不僅給可再生能源系統(tǒng)有力支撐，使現(xiàn)有的高防核廢物“變廢為寶”，還有可能使自身成為“可再生能源系統(tǒng)”，給世界提供核能幾千年。核工業(yè)需要深地處置的不是核材料，只是沒有處理、回收價值的長壽命核沾污物(材料與零部件)...

依據(jù)資料：

ANS FCWMD Executive Committee，ANS Grand Challenge: Closing the nuclear fuel cycle，ANS Nuclear News，F(xiàn)ebruary 15, 2022