根據斯坦福大學和不列顛哥倫比亞大學的研究，長期以來被吹捧為核能未來的小型模塊化反應堆實際上將產生比傳統核電站更多的放射性廢物。

工程師準備測試由美國能源部愛達荷國家實驗室開發的小型模塊化反應堆的先進原型。（圖片來源：愛達荷國家實驗室提供）

核反應堆以有限的溫室氣體排放產生可靠的電力供應。但是，產生 1,000 兆瓦電力的核電站也會產生放射性廢物，必須將其與環境隔離數十萬年。此外，建造大型核電站的成本可能高達數百億美元。

為了應對這些挑戰，核工業正在開發小型模塊化反應堆，其發電量低于 300 兆瓦，并且可以在工廠中組裝。行業分析師表示，這些先進的模塊化設計將比傳統的大型反應堆更便宜，產生的放射性副產品也更少。

但美國國家科學院院刊5 月 30 日的一項研究得出了相反的結論。

“我們的研究結果表明，大多數小型模塊化反應堆設計實際上會增加需要管理和處置的核廢料的數量，”該研究的主要作者、前麥克阿瑟 (MacArthur) 的前任 Lindsay Krall 說。斯坦福大學國際安全與合作中心(CISAC)博士后研究員。“這些發現與倡導者聲稱的先進核技術的成本和減少廢物的好處形成鮮明對比。”

簡單的指標

一些分析家認為，與更大的常規核反應堆相比，小型模塊化反應堆將顯著減少產生的乏核燃料的質量。但根據 Krall 和她的同事的說法，這個結論過于樂觀。

“這都是一些簡單的指標，例如乏燃料質量的估計，幾乎無法深入了解的儲存、包裝和處置乏燃料和其他放射性廢物所需的資源，”現任的瑞典核燃料和廢物管理公司公司的科學家的 Krall 說。“事實上，很少有研究分析來自小型模塊化反應堆的核廢料流的管理和處置。”

已經提出了數十種小型模塊化反應堆設計。在這項研究中，Krall 分析了東芝、NuScale 和陸地能源公司正在開發的三種小型模塊化反應堆的核廢料流。每家公司使用不同的設計。案例研究的結果得到了理論計算和更廣泛的設計調查的證實。這種三管齊下的方法使作者能夠得出有力的結論。

“分析很困難，因為這些反應堆都還沒有運行，”該研究的合著者、斯坦福大學核安全教授、CISAC 聯合主任羅德尼·尤因 ( Rodney Ewing ) 說。“此外，一些反應堆的設計是專有的，給研究增加了額外的障礙。”

中子泄漏

當中子分裂反應堆核心中的鈾原子時，核反應堆中會產生能量，產生額外的中子繼續分裂其他鈾原子，從而產生連鎖反應。但是一些中子從核心中逸出——一個稱為中子泄漏的問題——并撞擊周圍的結構材料，例如鋼和混凝土。這些材料在被核心損失的中子“激活”時會變得具有放射性。

這項新研究發現，由于小型模塊化反應堆的尺寸較小，因此它們將比傳統反應堆經歷更多的中子泄漏。這種增加的泄漏會影響其廢物流的數量和組成。

“泄漏的中子越多，中子激活過程產生的放射性就越大，”尤因說。“我們發現小型模塊化反應堆將產生至少 9 倍于傳統發電廠的中子活化鋼。這些放射性物質在處置前必須仔細管理，這將是昂貴的。”

該研究還發現，小型模塊化反應堆的乏核燃料每提取單位能量的排放量將更大，并且可能比現有發電廠排放的乏燃料復雜得多。

“一些小型模塊化反應堆設計需要化學外來燃料和冷卻劑，這些燃料和冷卻劑會產生難以處理的廢物，”合著者、英國大學公共政策與全球事務學院教授兼主任艾莉森麥克法蘭說。“那些奇特的燃料和冷卻劑在處置前可能需要昂貴的化學處理。”

“對行業和投資者的啟示是，燃料循環的后端可能包括必須解決的隱藏成本，”麥克法蘭說。“了解這些反應堆對廢物的影響符合反應堆設計者和監管機構的最大利益。”

放射毒性

該研究得出的結論是，總體而言，小型模塊化設計在放射性廢物產生、管理要求和處置選擇方面不如常規反應堆。

一個問題是乏核燃料的長期輻射。研究小組估計，10,000 年后，三個模塊化反應堆排放的乏燃料中钚的放射性毒性將至少比每提取單位能量的常規乏燃料中的钚高 50%。

作者說，由于這種高水平的放射性毒性，小型模塊化反應堆廢物的地質儲存庫應通過徹底的選址過程仔細選擇。