最近，《Reuters Events》網站編輯保羅·戴(Paul Day)發文說，擔憂核電“高成本、核擴散，加劇了對核廢料再循環的懷疑”。但通篇看來，似乎文不對題。雖然他在講核電的問題，有人擔心“核擴散”，核廢料的處理，前景不明，但就目前和長遠看，特別是“氣候變化”的危機壓得世界各國喘不過氣來，核電還要大發展，“核電機組的數量一旦達到了某個水平，就必須利用核廢料為之提供核燃料”了[1]。而且他接著發的另一篇文章，幾乎解決了他之前的全部擔憂……

“用過的核燃料(SNF)可以多次再循環和后處理，供再次使用。但成本高昂、核擴散的擔憂，以及廉價而又豐富的鈾資源，意味著現在可能不是燃料閉環的理想方式……”

圖1. 法國西部瑟堡(Cherbourg)附近拉和岬(La Hague)，阿海琺(Areva)公司的后處理廠。

在全球范圍內，民用核電站產生了近40萬噸SNF，已后處理的不到1/3，而目前商業后處理的能力大約只有2千噸，每年通過在法國、俄羅斯、英國、印度(可能到2024年，還有日本)的某些工廠，進行后處理……

SNF具有很高的放射性，含有的重金屬，可以在適當的情況下用于核武器，而且至少在數百年甚至數千年內不會失去其放射性。

支持者指出，這種后處理(大部分)有詳細的跟蹤統計，受到很好的控制與保護，雖然今天的技術還不能完全掌控核廢物的處理方案，但隨著先進堆的發展，情況會發生改變。

在美國能源部與環保署工作幾十年、有核電和乏核燃料再循環經驗的獨立發言人史蒂文·柯蒂斯(Steven Curtis)說，“如果要在已有的核設施現場銷毀現有的各種水平的乏核燃料，從技術上講就是用快堆，那么大約能給美國提供200年的能源。”

產生的大多數乏核燃料(SNF)儲存在各種料桶和干桶內，核工業和政府只找到兩種方法處理它：再循環再利用，或者把它深埋地下。

圖2. 乏核燃料在核電廠“干桶”存放

圖3. 芬蘭目前正在建造的地下核廢料儲存庫(示意圖)

這兩種選擇，公眾都不歡迎。

據莫寧咨詢公司(Morning Consult)民意調查，在美國，大約有8.6萬噸SNF存儲在33個州75個運行或關閉的核電廠內。相信核能在核電廠內工作的人中，支持把乏燃料保存在自己社區50英里內的，不到一半。

在美國已建的三家后處理廠，目前沒有一家在運營。柯蒂斯說，各州領導人都不愿意接受SNF。

柯蒂斯說，“如果我能說服州長接收用過的核燃料，附加條件是在快堆內進行再循環，所有都由國內供應，這將為美國1萬億美元的清潔能源行業帶來幾十年的經濟效益。”

美國國會核廢料基金的資金主要來自家庭電費賬單上的附加費用，估計價值450億美元。自2010年美國能源部結束給尤卡山(Yucca Mountain)的存儲庫頒發許可證的努力以來，該基金一直未使用。

柯蒂斯說，僅這只基金就可以幫助啟動一個私營企業的解決方案。

昂貴的混合物

新一代反應堆開發商說，他們已找到了安全、簡單和廉價的SNF再循環解決方案，但今天可用的選擇產生高放射性的混合物，相對新開采的鈾或深層地質處置庫(DGP)方案，可能更容易被潛在的武器制造商濫用，而且極其昂貴。

哈佛大學肯尼迪學院，能源、國家安全與外交政策實踐教授馬修·布恩(Matthew Bunn)說，“核能是氣候變化解決方案的組成部分，需要比以前便宜，還要更容易選址，需要公眾相信這是安全的，不會遭受恐怖主義襲擊，也不會導致核擴散。 ”

但“后處理卻與這些準則相反。”

目前后處理的首要方法是所謂的PUREX工藝(钚-鈾還原萃取，又稱“濕”法)，從SNF提取钚再與貧鈾混合，制造、生產混合氧化物(MOX)燃料。

但是，這非常昂貴。

據布恩和其他人的《與直接處置乏核燃料相比，后處理和再循環經濟學》研究報告說，1公斤MOX核燃料，包括廢物后處理、加工過程和貧鈾，各種成本約為1公斤低濃縮鈾燃料的六倍。

這個報告說，“如果要成本相等，鈾就必須變得非常昂貴，否則后處理就必須變得成本非常低廉。”

與DGR相比，后處理的表現也很糟糕，而且無論如何，最終仍然需要DGR。

與后處理需要的2200美元/公斤相比(其中包括200美元/公斤處置回收后仍殘留的高放射性廢物成本)，在地下深處的儲存庫中儲存和處置乏燃料的成本估計為600美元/公斤。

布恩說，“重要的是要記住，如果要生產一定數量的核能，就會留下一定數量的裂變產物。無論是否進行后處理，都需要核廢料處置庫。”

圖4. 世界乏核燃料商業后處理能力。(Source: World Nuclear Association)

廉價而豐富的燃料

盡管法國經過10年長周期的生產，SNF再循環的目標并不在于解決核反應堆基本燃料缺乏問題，這種燃料不但便宜，而且充足。

鈾在地殼和海水中自然存在，相當常見，而且核燃料在核電廠總成本中，占比不到1/10。

美國阿貢國家實驗室的首席核工程師羅杰·布洛姆奎斯特(Roger Blomquist)說，“雖然原則上可多次再循環，但法國人對這種材料只再循環一次，因為第一次后，技術難度越來越大。他們仍然這么做的原因是，減少‘用過的核燃料’的體積。這對核材料的理論總毒性沒有很大影響”。

法國人使用PUREX工藝，SNF首先溶解在熱硝酸內。美國阿貢國家實驗室一直在開發更緊湊、經濟的方法，稱為高溫后處理(又稱“干”法)，用于這個實驗室的一體化快堆(IFR)，即EBR-II。

據阿貢的IFR研究一書，即查爾斯·泰勒(Charles E. Till)和 尹·常(Yoon Il Chang)合著的《豐富的能源》，高溫后處理工藝的成本是PUREX工藝的1/7。

不過，只要萃取鈾的成本很便宜，需求相對少，再循環仍然是乏核燃料的“第二”優選解決方案。

布洛姆奎斯特說，“鈾的成本這么低，一個原因是沒有建造足夠數量的反應堆。如果真的建造了很多反應堆，就需要再循環，而且再循環將是經濟的。核電機組的數量一旦達到了某個水平，就必須利用核廢料為之提供核燃料。”

第四代熔鹽堆設計就靠乏核燃料運轉[2]

這里講的是北美地區即將示范的Moltex、Elysium公司的設計……

乏核燃料(SNF)再循環和后處理可能很昂貴，也有核擴散的擔憂，但先進堆開發商Moltex和Elysium公司說，他們的技術將改變這個行業處理核廢料的方式。

圖5. 藝術家演繹的SSR-W型核電廠現場

20世紀60年代至70年代，美國首次出現了熔鹽堆(MSR)研究，當時核能還處于起步階段，橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的熔鹽堆實驗裝置(MSRE)功率為7.34 MW。

但在商業上，MSR被放棄了，輕水堆成為了“默認”的品牌。

顧名思義，MSR在反應堆堆芯使用熔鹽，而不是水，這使它效率高，有負荷跟蹤能力、增強安全的特性，以及在高溫下運行的能力。

隨著新技術引入一系列第四代先進堆，Elysium和Moltex公司正在開發的那些設計具有靠SNF運行的額外的優勢。開發商說，這兩種設計都能確保安全，而且成本有競爭力。

Moltex公司(北美)首席執行官羅里·奧沙利文(Rory O’ Sullivan)說，“通常情況下，其他再循環利用的嘗試并不經濟，這就是為什么它們沒有繼續進行下去，而我們設計的經濟性能，卻有很大的利潤空間。似乎真的非常可行，在經濟上很有意義。”

所謂的“社會許可”，即公眾接受這項技術的程度，對兩個開發商也是重要的推動力。

奧沙利文說，“社會上仍然有很多人反對核廢料;認為不應加以處置，甚至起初就不應存在。所以我們的確要看到，我們的反應堆設計的最大優勢，就是處理、銷毀長壽命的核廢料。”

圖6. 2018年底世界天然鈾生產與反應堆消耗(噸數)

氯化乏核燃料

Elysium 公司首席技術官兼創始人埃德·菲爾(Ed Pheil)解釋說，Elysium的設計是個氯化物熔鹽快堆(MCSFR)，把小塊的SNF倒入熔融的、攝氏500度的鈉和鉀的氯化物(或稱之為食用和鋪路的鹽)中。

許多SNF，即剩余的鈾、钚、微量錒系元素和裂變產物，變成氯化物，只留下某些濾出的貴金屬，和收集的惰性氣體。

菲爾說，這并不是美國能源部國家核安全管理局(NNSA)定義的“后處理”。

菲爾說，“我們正在再循環的核廢料，除了天然存在的元素，即廢氣和微粒之外，沒有任何相關的分離。”“但這還不足以運行反應堆。還需要加入易裂變的材料。”

在美國，額外的易裂變材料是武器級钚，存量超過約61.5噸。

菲爾解釋說，Elysium的反應堆要用十“份”儲存的核燃料和一“份”钚。還補充說，他們的反應堆要使武器級的钚“改性”，然后送入反應堆啟動，因此不能用于任何武器，也絕不經稀釋即儲存在屏蔽容器中——這是當前美國政府的計劃。

菲爾說，Elysium公司可把高溫處理工藝，從七個不同的化學步驟減少到一步，能使其成本低于濃縮鈾[3]。

菲爾說，“我們希望到2025年開始建個核燃料生產‘中試’裝置。到那時，由于我國正在銷毀武器級的钚，我們的‘收益流’將從銷毀钚和乏燃料開始。”(銷毀多余的武器級的钚，由國家出資。)

圖7. Elysium設計的氯化物熔鹽快堆(MCSFR)

加拿大的Moltex

總部位于英國/加拿大的Moltex能源公司，其穩定熔鹽堆-燃燒器(SSR-W)設計，用傳統乏燃料芯塊中的低純熔鹽核燃料，也不用泵使燃料鹽環繞系統循環。它有自己的再循環工藝——從核廢料到穩定鹽(WATSS)設施。

這個公司說，根據首個1GW機組運營和維護(O&M)的保守估算，其SSR的平準化能源成本(LCOE)的平均成本估計值為 $44.64/MWh，遠低于EIA(美國能源信息署)對新燃煤和燃氣發電機組的成本預測，后者的LCOE分別為 $95/MWh和 $75/MWh。

今年5月，這個反應堆完成了加拿大核安全委員會(CNSC)的“頒證前供應商設計審查”(VDR)三個階段的第一階段，目前處于第二階段[4]。

今年3月，Moltex公司獲得加拿大戰略創新基金和大西洋加拿大機遇機構提供的5050萬美元資金，用以推進該技術。

這個公司已與安大略電力公司的加拿大核可持續性發展中心、新不倫瑞克電力公司達成合作協議，并希望利用加拿大對開發小型模塊化反應堆(SMR)、核能供應鏈和坎杜型(CANDU)核廢料庫存的權益，以啟動其發電廠。

Moltex能源公司計劃本世紀30年代初，在新不倫瑞克省的圣約翰啟動首個300 MW的SSR-W和WATSS設施。

盡管這個項目在加拿大市場取得種種進展，但并非沒有爭議。

今年5月，美國防擴散專家和前政府官員和顧問，給加拿大總理特魯多寫了一封公開信，表達他們對政府為Moltex提供財政支持的擔憂。

他們在信中說，“我們主要擔心的是，通過支持乏燃料后處理和钚提取，加拿大政府會危害全球武器不擴散制度，加拿大曾為強化做了很多工作。”

Moltex公司的答復說，雖然傳統的SNF后處理可能有核擴散問題，但它的WATSS工藝流程會繞過這類的問題。

Moltex公司在答復中說，“作者非常正確地表達了對常規后處理項目可能導致武器可用材料風險的擔憂。這種工藝，既復雜又昂貴，加拿大不能接受，也沒有經濟意義。”

它說，“作者不知道我們的WATSS工藝，因為公開的只是高層細節。它一直設計得沒有能力生產武器級的核材料。”

熔鹽快堆能實現核能先哲的理想

從根本上講，核能是宇宙間所有能源之源，包括人類最希望依靠的各種可再生能源，而且特質與周圍環境無關，更不用說“氣候變化”了!人類探索(不是“征服”)宇宙，脫離太陽系，只能依靠核能!

不同能源，經濟成本很重要。快堆，特別是熔鹽快堆能解決成本問題，這是它相對其他核技術的“比較”優勢。因為熔鹽快堆可用一切天然易裂變(232U)和可增殖(232Th、238U)核材料啟動反應堆;燃料是液態，提取、制作最簡單，在經濟上，其他堆型無法超越。單是原始材料提純、加工制造成型，就會使核燃料的成本翻幾番，更不用說乏核燃料再循環利用的難度了。用其他堆型卸出的乏核燃料做原料，熔鹽堆工藝最簡單，甚至只有“一步”，工藝成本大大降低……

“防擴散”是政治概念。有些國家即使不計成本，也沒有從商用堆卸出的乏燃料制成核武器;恐怖組織不惜代價，至多只能制造個“臟彈”而已。熔鹽堆，既可在工藝上杜絕，又可用“改性”方法防止偷竊。現有的防護監控手段和核保障措施足矣。

行業內專家最憂慮的是電廠“運行維修”的人身安全和設備、管道系統材料的腐蝕問題。就Moltex的設計而言，可以做到比現代壓水堆還安全;至于Elysium的設計，與上個世紀60年代美國橡樹嶺國家實驗室成功運行4～5年的熔鹽堆實驗裝置(MSRE)整體布置類似，設備材料都是ASME規范標準的，又有目前現代技術進步(如人工智能和機械人技術)，現場遙控監視、檢測和維護方面，能確保設施和運行與維修人員的輻射安全。

重要的問題在于實踐，通過示范裝置運行發現問題，消除隱患。Moltex的設計，本無必經示范，即可在20年代后期投入商用，但加拿大堅持用坎杜堆卸出的乏燃料做首堆啟動核燃料，花費時間長，閉路循環，需要示范驗證;美國能源部已決定出資、支持Elysium，2025年開始建核燃料生產“中試”裝置;比爾蓋茨支持的泰拉能源公司的MCFR設計與Elysium的MCSFR基本相似，將在愛達荷國家實驗室(INL)先建個發電能力不到50 kW的示范裝置，預計將于2026年投入使用……

中國科學院上海應用物理研究所，早年曾與美國能源部橡樹嶺國家實驗室合作，后獨立開發了TMSR-LF(液態燃料釷基熔鹽堆)，其原型堆2 MWe已建成，正在調試，有可能最早獲得突破……

圖8. 中國甘肅武威釷基熔鹽堆綜合實驗基地示意圖(右下方為TMSR-LF)

世界核科學研究的先哲們，早就預想到它面對的難題和“用于和平”的前景：核材料入堆發生核裂變生產核能，連續加入新燃料，不斷排除裂變產物，“50 年以上無需凈化或在不去除錒系元素情況下進行在線凈化”(Elysium)[5]。運行中產生的廢物只是各種裂變產物，300～600年內可衰變為無害、非常珍貴的“稀有金屬”。產生的某些高放污染和退役廢物，可調制打包，送入深地處置庫(DGR)永久儲存……

科學發展到今天，先進快堆技術已經開發、設計完成，有必要、也有可能實現先哲們的理想。

資料與注釋：

1 Paul Day, High costs, proliferation concerns feed doubts over waste recycling, Reuters Events, Nov 24, 2021

2 Paul Day, Moltex, Elysium reactors to put used fuel to work, Reuters Events, Nov 24, 2021

3 ELYSIUM, MOLTEN CHLORIDE SALT FAST REACTOR (MCSFR)，March 2017

4 CNSC, Phase 1 pre-licensing vendor design review executive summary: Moltex Energy, Executive Summary, 2021-05-25。1階段：供應商核電站設計全面評估;2階段：確定設計的任何潛在的基本障礙;3階段：跟蹤，就2階段發現的某些問題，交流信息，提供后續設計準備活動。(CNSC, Pre-Licensing Vendor Design Review, Pre-Licensing Vendor Design Review)

5 CH，先進能源科技動態監測快報，2018年第22期(總第324期)，p.13-14