自核時(shí)代開(kāi)始以來(lái)，就已經(jīng)有了針對(duì)這些缺點(diǎn)的技術(shù)解決方案。例如，快中子反應(yīng)堆可以利用比熱中子反應(yīng)堆高得多的鈾比例。但任何新計(jì)劃必須不僅僅是更好的反應(yīng)堆。無(wú)論反應(yīng)堆是留在用戶原地，還是在使用壽命結(jié)束時(shí)返回東道國(guó)，都需要處理其中的核殘留物。

核能比其他能源更昂貴沒(méi)有先驗(yàn)的理由。如果有效部署，它只需要很少的土地、材料或勞動(dòng)力。當(dāng)前的成本障礙主要與復(fù)雜的設(shè)計(jì)、高初始投資、處理長(zhǎng)壽命廢物的成本的不確定性、行業(yè)缺乏活力以及缺乏通過(guò)復(fù)制學(xué)習(xí)有關(guān)。

在國(guó)際上，技術(shù)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)是新的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，但業(yè)界需要記住，放射性廢物及其相關(guān)的壽命被廣泛認(rèn)為是該技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵缺點(diǎn)。這種看法扼殺了對(duì)整個(gè)技術(shù)的投資。我們需要核能來(lái)滿足一系列需求。它非常適合補(bǔ)充其他低碳能源，例如在太陽(yáng)能效率低下的地方發(fā)電。更一般地說(shuō)，反應(yīng)堆儲(chǔ)存的熱量可用于提供額外的電力以平衡其他間歇性電源。

要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，它必須不需要消費(fèi)者所在國(guó)家/地區(qū)的復(fù)雜技術(shù)能力，也不得遺留廢物管理和監(jiān)護(hù)問(wèn)題。我們建議將乏核燃料分為兩種，一種可以作為新的核燃料回收利用，另一種可以符合適合立即淺埋的低放廢物標(biāo)準(zhǔn)。解決延遲的廢物管理問(wèn)題將使更多種類(lèi)的商業(yè)公司能夠使用比目前更廣泛的核反應(yīng)堆。這些公司可以通過(guò)配備回收反應(yīng)堆及其相關(guān)燃料的專(zhuān)業(yè)組織來(lái)管理廢物。

圖 1：樞紐和衛(wèi)星核電概念


圖 2：無(wú)長(zhǎng)期廢物的可持續(xù)核電


圖 3：隨時(shí)間變化的放射性毒性危害

反應(yīng)器類(lèi)型

使用快中子反應(yīng)堆和先進(jìn)的燃料循環(huán)，有可能顯著減少用于處置最終廢物的深層地質(zhì)處置庫(kù)的足跡。這份未來(lái)核電藍(lán)圖旨在擴(kuò)展這種方法。與此同時(shí)，新一代小型反應(yīng)堆采用模塊化設(shè)計(jì)，可以在工廠大量建造并部署在其他地方。

新設(shè)計(jì)可以結(jié)合固有的安全功能，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)本身以及相關(guān)的許可和監(jiān)管流程。它們包括快中子反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)，與輕水堆相比，快中子反應(yīng)堆在“裂變”燃料方面效率更高，因此可以更好地利用燃料并產(chǎn)生更少的長(zhǎng)壽命廢物。快中子反應(yīng)堆最終將成為從其他反應(yīng)堆回收自己的燃料和遺留的乏燃料的關(guān)鍵。

為安裝而運(yùn)輸反應(yīng)堆原則上也允許反應(yīng)堆在部署后返回。用戶因此可以享受核反應(yīng)堆的好處，而不必處理長(zhǎng)期危險(xiǎn)材料的問(wèn)題。

航空模型

幾乎所有國(guó)家都能安全地享受航空帶來(lái)的好處，但大多數(shù)國(guó)家僅依賴(lài)少數(shù)幾個(gè)國(guó)家的特殊能力，例如建造飛機(jī)。需要為這些小型反應(yīng)堆開(kāi)發(fā)類(lèi)似的模式。我們稱(chēng)之為“樞紐和衛(wèi)星”核電(圖 1)。少數(shù)組織充當(dāng)樞紐，提供專(zhuān)業(yè)的核服務(wù)，衛(wèi)星國(guó)家可以接收核設(shè)施并從中受益——不會(huì)在衛(wèi)星站留下長(zhǎng)期的危險(xiǎn)遺產(chǎn)。

根據(jù)裝置的大小，有三種可能的模式以這種方式運(yùn)行核電。核燃料往返于在衛(wèi)星位置建造和固定的反應(yīng)堆之間運(yùn)輸，或者反應(yīng)堆與內(nèi)部燃料一起往返于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸，或者對(duì)于非常小的裝置，完全集成的發(fā)電廠可以往返于衛(wèi)星運(yùn)輸.

這些替代方案中的每一個(gè)都有已建立或計(jì)劃的表現(xiàn)形式——例如英國(guó)和法國(guó)的核燃料后處理、俄羅斯的駁船式核電站以及用于空運(yùn)到災(zāi)區(qū)的小型核電站的設(shè)計(jì)研究。

中心和衛(wèi)星概念允許通過(guò)復(fù)制和大規(guī)模制造來(lái)節(jié)省成本，而廢物管理的集中化意味著回收燃料和處置廢物的復(fù)雜操作的成本可以分?jǐn)偟酱罅糠磻?yīng)堆上。

將廢物作為資源進(jìn)行管理

說(shuō)“沒(méi)有人知道如何處理核廢料”是不真實(shí)的，因?yàn)橛屑夹g(shù)上可接受的解決方案(主要是在穩(wěn)定的地質(zhì)條件下深埋有工程障礙)。然而，由于廢物在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的演變以及短期和中期的熱量產(chǎn)生的殘余不確定性，目前很少有乏燃料或高放廢物 (HLW) 的長(zhǎng)期處置。世界上大部分乏燃料都儲(chǔ)存在水池中，這需要人工監(jiān)督系統(tǒng)。其余大部分存儲(chǔ)在風(fēng)冷屏蔽存儲(chǔ)桶中，這仍然需要未來(lái)的永久解決方案。

由于其長(zhǎng)期存在，未解決的廢物給組織帶來(lái)了體制問(wèn)題，組織必須長(zhǎng)期承擔(dān)廢物的責(zé)任。很少有組織可以保證持續(xù)這么長(zhǎng)時(shí)間。在美國(guó)，這個(gè)問(wèn)題據(jù)說(shuō)是由聯(lián)邦政府通過(guò)承擔(dān)乏燃料的長(zhǎng)期責(zé)任來(lái)解決的，以換取向電力公司收取費(fèi)用。迄今為止，政府已要求工業(yè)界付款，但并未解決問(wèn)題。通過(guò)對(duì)問(wèn)題承擔(dān)責(zé)任，美國(guó)政府并沒(méi)有強(qiáng)迫核電供應(yīng)商尋找其他方法來(lái)解決他們的廢物問(wèn)題，而是維持了一次燃料循環(huán)，盡管存在缺陷，但仍可以容忍。

對(duì)核材料進(jìn)行長(zhǎng)期管理的最安全形式是根本不儲(chǔ)存它們。這可以通過(guò)將廢物分離以立即處理并通過(guò)“及時(shí)”程序回收其余部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。

為了向公眾展示適當(dāng)?shù)目沙掷m(xù)性，核電廠(和支持活動(dòng))應(yīng)在停止運(yùn)行后盡快拆除或退役直至完成。除了符合代際公平的原則外，它還充分利用了現(xiàn)有的知識(shí)、專(zhuān)業(yè)知識(shí)和資源。

造成長(zhǎng)期危害的燃料成分應(yīng)回收為新的核燃料。鈾(U-235 同位素中輕度富集或貧化)可出于物質(zhì)平衡目的添加或從循環(huán)中移除。

核過(guò)程中不可還原的廢物(主要是裂變產(chǎn)物而不是次要的錒系元素)只是乏燃料的一小部分，而這一部分也是產(chǎn)生大部分麻煩的熱量的原因。當(dāng)使用結(jié)束時(shí)，裂變產(chǎn)物部分本身可以被允許留在原處而無(wú)需進(jìn)一步的人工干預(yù)。這是因?yàn)樵谖锢矶糁?例如罐)失效之前，危害將衰減到基本無(wú)害的水平。如果分離出發(fā)熱部分，則可能會(huì)使用熱量。

無(wú)論回收計(jì)劃多么有效，它都無(wú)法消除所有廢物。在美國(guó)術(shù)語(yǔ)中被描述為“低水平”的廢物通常可以通過(guò)現(xiàn)有的淺埋設(shè)施進(jìn)行管理。出于材料平衡目的，源自乏燃料的鈾可以很容易地去除，然后再送回。

核物理要求

以這種方式回收燃料的核物理特性需要仔細(xì)處理，但原則上可以在熱反應(yīng)堆和快中子反應(yīng)堆的方案中將回收燃料與濃縮或貧化鈾結(jié)合起來(lái)。在快堆中滿足核物理和材料平衡要求比熱反應(yīng)堆系統(tǒng)容易得多。

一個(gè)主要要求是平衡燃料的易裂變成分和可轉(zhuǎn)化成分的比例。對(duì)于熱反應(yīng)堆，裂變比會(huì)隨著反應(yīng)堆的運(yùn)行而不斷下降，因此必須進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于快堆，該比率可能會(huì)增加或減少。快堆也可用于“焚燒”可能在燃料循環(huán)中積累的有問(wèn)題的物質(zhì)。

人們可能會(huì)認(rèn)為，提高裂變與受精比的唯一方法是添加裂變材料，但提取鈾也可以達(dá)到相同的效果(圖 2)。出于安全考慮，這是更可取的。

支持回收計(jì)劃早期階段的關(guān)鍵材料是高含量低濃縮鈾 (HALEU)。國(guó)際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)將 U-235 的濃縮度限制為 20%，以防止非法用于核武器目的。大多數(shù)反應(yīng)堆目前供應(yīng)約 5% 的 U-235，但 HALEU(高達(dá) 20% 的濃縮)對(duì)于實(shí)現(xiàn)回收計(jì)劃的材料平衡非常有用。美國(guó)能源部最近與 Centrus 能源公司簽訂了生產(chǎn) HALEU 的合同。

分離回收價(jià)值

乏核燃料需要分為兩部分：主要是裂變產(chǎn)物;以及鈾、钚和次錒系元素的混合物。目標(biāo)是分離裂變產(chǎn)物，使包裝件的危害衰減遵循圖 3 中的綠色曲線(而不是乏燃料本身的紅色曲線)。在開(kāi)發(fā)所需類(lèi)型的分離器方面已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。

早期核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)通常沒(méi)有與用于處理輻照燃料和處理廢物的下游工廠的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合。將乏燃料分離成鈾、钚和高放廢物的 PUREX 工藝具有廣泛的適用性和商業(yè)成熟度，因?yàn)樗梢赃m應(yīng)許多不同的燃料類(lèi)型。

幾十年來(lái)，人們探索和開(kāi)發(fā)了許多從輻照燃料中分離裂變和非裂變材料的方法，包括溶劑萃取、氟化物揮發(fā)性、等離子火焰、熔融鹵化物電解精煉、分步結(jié)晶。

雖然較早的工藝如 PUREX 是為“純”鈾和钚產(chǎn)品設(shè)計(jì)的，但最近的工藝集中在分離充分分配的錒系元素流，以循環(huán)到快中子反應(yīng)堆用于發(fā)電或微量錒系元素焚燒，裂變產(chǎn)物廢物流用于近期廢物管理。

輻照、后處理、遠(yuǎn)程制造和再循環(huán)到快堆的一體化是復(fù)雜的，但美國(guó)的 ANL 一體化快堆及其相關(guān)燃料循環(huán)和美國(guó)的 RIAR BOR60 反應(yīng)堆及其相關(guān)燃料循環(huán)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。俄羅斯聯(lián)邦。這些操作尚未達(dá)到 PUREX 后處理的商業(yè)成熟度。

出現(xiàn)了兩種主要產(chǎn)品，一種適用于核燃料，另一種是潛在有用的熱源，但沒(méi)有與之相關(guān)的長(zhǎng)期危險(xiǎn)。

分離的目的應(yīng)該是使用“及時(shí)”做法來(lái)接收、加工和出口材料，以避免在存儲(chǔ)中積累大量材料。按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，核反應(yīng)堆中消耗的核燃料的物理量非常小。它的加工應(yīng)適當(dāng)靈活和小規(guī)模。

圖 2 顯示了如何將現(xiàn)有的乏核燃料和貧化鈾納入回收過(guò)程。SNF 中的絕大多數(shù)材料都具有作為回收燃料的潛在價(jià)值——只有一小部分 SNF 是真正的“廢物”。

世界現(xiàn)有乏燃料(連同貧鈾庫(kù)存)的潛力至少代表了人類(lèi) 100 年的總能源需求。

裂變產(chǎn)物廢物的可持續(xù)利用

如果要利用裂變產(chǎn)物廢物產(chǎn)生的材料或熱量，則必須確定足夠的需求。

俄羅斯將 Sr-90 用于放射性同位素發(fā)電機(jī)，但發(fā)射伽馬的同位素能否用于發(fā)電機(jī)尚存疑慮。也建立了基于 Cs-137 的伽馬輻照器，但規(guī)模不大。這些應(yīng)用程序都不能充分利用電源。(應(yīng)該指出的是，加工廠可能會(huì)提供 Np-237，它是 SNF 的一個(gè)組成部分。通過(guò)反應(yīng)堆中的中子輻照，Np-237 可以轉(zhuǎn)化為 Pu-238——用于放射性同位素發(fā)生器的優(yōu)良放射性核素遠(yuǎn)距離太空探索。

最靈活的用途是偏遠(yuǎn)地區(qū)的區(qū)域供熱。源可能高達(dá)10MW左右，適合幾百人的小社區(qū)。如果裂變產(chǎn)物罐被放置在與地表進(jìn)行熱交換的地下水池中，由此產(chǎn)生的熱水輸出可以為這些偏遠(yuǎn)社區(qū)的家庭提供可靠和連續(xù)的區(qū)域供暖，類(lèi)似于提供地?zé)崮埽谶x擇的位置而不是受限于可用性的地理限制。

為了安全起見(jiàn)，如果熱交換系統(tǒng)發(fā)生故障，地下游泳池將需要一條通往周?chē)孛娴谋粍?dòng)散熱器路徑。

將保持恒定的熱量輸出，通過(guò)定期向池中添加額外的裂變產(chǎn)物罐來(lái)補(bǔ)償放射性衰變。在離開(kāi)時(shí)，該設(shè)施將被允許移動(dòng)到緊鄰燃料池周?chē)牡孛孢M(jìn)行被動(dòng)熱交換。大約一百年后，該設(shè)施將不再產(chǎn)生大量熱量，并且在幾百年后，任何放射性危害都將有效消失。

國(guó)際倡議

這里提出的想法并不新鮮，而是幾乎自核工業(yè)誕生以來(lái)就一直存在的重點(diǎn)目標(biāo)。

在美國(guó)，自卡特總統(tǒng)時(shí)代以來(lái)，核燃料回收只是間歇性發(fā)展。雖然由于國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的力量在美國(guó)重新煥發(fā)活力，但其他國(guó)家(特別是俄羅斯和中國(guó))正在進(jìn)一步發(fā)展這種類(lèi)型的分區(qū)計(jì)劃。

英國(guó)在該領(lǐng)域具有歷史性的能力，但隨著 Dounreay 和 Sellafield 設(shè)施的關(guān)閉，這些能力已經(jīng)耗盡。法國(guó)擁有非常重要的能力，托木斯克的西伯利亞化學(xué)綜合體、季米特洛夫格勒的 RIAR 和俄羅斯周邊的各種機(jī)構(gòu)都積極作為其中一些想法的發(fā)展中心，并且他們擁有從事相關(guān)工作的技術(shù)人員和設(shè)施.

法國(guó)核研究機(jī)構(gòu) Commissariat a`l'e'nergie atomique (CEA) 于 2019 年 9 月表示，“在本世紀(jì)下半葉之前沒(méi)有計(jì)劃第四代反應(yīng)堆的工業(yè)發(fā)展。” 需要大量的研發(fā)、開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)工作才能引入完整的第四代反應(yīng)堆和燃料循環(huán)設(shè)施，包括那些具有足夠短放射性衰變期的廢物管理設(shè)施。這段發(fā)展時(shí)期將為使用能夠滿足整個(gè)循環(huán)技術(shù)要求和規(guī)范的快中子反應(yīng)堆創(chuàng)建這樣一個(gè)行業(yè)提供時(shí)間。然而，如果有提供足夠的發(fā)展資源和產(chǎn)業(yè)贊助的倡議，沒(méi)有什么可以阻止這個(gè)時(shí)間尺度的加速。

預(yù)計(jì)短期內(nèi)全尺寸第三代反應(yīng)堆(有時(shí)稱(chēng)為第三代 + 型)的增量改進(jìn)，并且可能會(huì)提前部署新概念設(shè)計(jì)的中小型反應(yīng)堆類(lèi)型，例如 Moltex、GE-Hitachi、Terrestrial能源、ARC、Leadcold、NuScale、Holtec 等。

基于快中子通量的新概念設(shè)計(jì)通常旨在降低單位成本，并且可能成為制定未來(lái)核電藍(lán)圖原則的領(lǐng)導(dǎo)者。