2019 年 12 月，美国能源部（DOE）爱达荷国家实验室（INL）的研究人员撰写了一篇报告，题为“INL 综合燃料循环倡议的战略计划”。报告介绍了INL综合燃料循环战略计划的意义和目标，以及综合燃料循环方案的成果、研发示范活动以及科技亮点。

    1  综合燃料循环战略计划的意义

    核能的未来发展需要综合燃料循环解决方案来支持现有反应堆的运行以及未来先进堆的部署。全球现有在运核电反应堆450 座，其中超过一半的反应堆已运行 30 年以上，接下来这些反应堆将进行有计划的退役。未来几年，许多国家将临“燃料循环三明治时代”的问题 ，即在开发下一代反应堆的同时还要解决反应堆老化带来的电力供应不足问题。INL 综合燃料循环解决方案倡议的战略意图是通过寻求颠覆性技术方法来维持和发展核能，并基于成本效益最佳化和废物最小化的原则来重新定义核燃料循环。

    INL 的综合燃料循环解决方案可提供安全、可靠和经济的核燃料管理与乏燃料处置方案。理论上，所有辐照燃料都具有作为能源资源的潜在价值。考虑到从先进堆中卸载的乏燃料具有很高的价值，所以回收先进堆乏燃料可能具有成本效益。目前，美国还没有轻水堆（LWR）乏燃料回收的商业需求，也没有可利用 LWR 回收产品的基础设施。美国也已经表明可能会永久处置LWR 乏燃料且无需确保其可回收性。目前，美国正在评估燃料循环解决方案，目的是在全球燃料服务市场上保持竞争力。

    INL 正在研发和示范的关键领域之一就是回收高价值的目标材料，例如，回收高浓铀（HEU）用于制造高纯度低浓铀（HALEU）。这项工作将支持先进堆的初始堆芯设计以及回收放射性同位素用于医学和工业领域。另一个关键领域是开发更简单、更具经济性的乏燃料回收方案。

    2  综合燃料循环战略计划的目标

    INL 的愿景是提供创新的燃料循环解决方案，以实现核能的可持续发展以及先进核能的部署。为此，INL 将发展科学、技术和基础设施以支持燃料循环五个方面的战略目标。其中，目标1～3 主要关注民用核能应用，目标 4 主要关注 DOE 拥有和管理的材料。

    目标 1 ：提供特殊核材料（SNM）以支持先进堆开发和示范；

    目标 2 ：评估未来的放射性废物材料，并对现有的核废物库存进行管理；

    目标 3 ：开发可降低核扩散风险的方案；

    目标 4 ：实施处理核遗留废物和燃料的解决方案；

    目标 5 ：发展基础设施，以支持先进堆部署和乏燃料管理。

    3  综合燃料循环方案 的成果与研发示范活动

    3.1  供应特殊核材料

    美国核电站现使用的核燃料是 U-235 丰度为 5％的低浓缩铀（LEU），接下来反应堆需要使用 U-235 丰度为 5％～20％的HALEU 燃料。在从 LEU 燃料过渡到 HALEU 燃料的过程中，美国的燃料循环基础设施也需要进行升级以解决安全和安保问题。

    INL 正在采取措施解决 HALEU 的临时供应问题，以满足先进堆概念研发的燃料制造需求。当先进堆开发商进入市场后，HALEU 临时供应方案将考虑通过私有企业投资进行商业化开发。另外，在 HALEU 燃料交付用于未来核供应链之前，还需为各种铀组成的 HALEU 燃料开发经 HALEU 验证的运输包装。INL 正在研究成本降低且涵盖铀浓缩到燃料制造设施的运输方案。

    开发人员对使用 U-235 的替代材料作为先进堆的燃料材料很感兴趣。INL 正在对包括使用其他 SNM 的燃料供应方案进行成本效益评估，以支持成本效益更佳的先进堆部署。此外，INL正在评估更简单、更经济的乏燃料回收方案，以确保美国在全球市场上的竞争力。

    成果：从 INL 含大量 HEU 残渣的原料中回收 HEU，通过混合稀释制造 HALEU；为支持燃料开发与测试以及先进堆示范用的初始堆芯，提供 HALEU 和其他 SNM 的临时供应方案；支持 HALEU材料运输基础设施的开发；与工业界开展合作，提供临时和长期的 HALEU 部署方案。

    研发示范活动：开发电冶金和 Hybrid-ZIRCEX 铀回收流程；开发 SNM 作为核燃料替代材料的技术方案；开发具有经济性的乏燃料回收流程；获取数据以支持各种形式HALEU的安全运输。

    3.2  管理放射性废物材料

    由于乏燃料永久性处置方案的缺乏，许多国家出现了公众对核能支持度逐渐降低的情况。迄今为止，还没有国家拥有地质处置库，其乏燃料长期贮存在反应堆场址中。许多先进堆设计考虑了再利用乏燃料，这或许能够大大减少核废物的产生量。INL 正在积极解决未来先进堆产生的核废物问题，尽可能减少核废物的产生量以及降低核电站的运营和维护成本，最终赢得公众对核能的支持。

    成果：有效利用科学和技术来开发可解决未来废物管理问题的选择方案。

    研发示范活动：开发计算工具，用于预测先进堆产生的废物流和乏燃料以及预示当前和未来乏燃料在贮存、运输、处置和保障方面的要求；开发实时仪表工具，用于探测先进堆乏燃料的燃料完整性和贮存罐行为。

    3.3  降低核扩散风险

    人们对核燃料循环的核不扩散问题已经研究和思考多年。有些国家将乏燃料视为一种具有潜在价值的能源资源，而不是废物。回收利用反应堆中的乏燃料也被提议作为一种乏燃料处置方式。除此之外，许多先进堆设计都是基于乏燃料运行的。

    当今全球核能市场的变化主要取决于几个因素，即能源需求的增长或下降、反应堆的建造许可和经济模型。核能是一种可靠的低碳能源，可进行大规模部署，这个特点对发展中国家来说极具吸引力，这也促进了非经合组织（OECD）成员国家的核电发展，其中最具代表的有中国和印度。目前，核电仍然是能源市场的重要参与者，但其地缘政治分布正在发生变化。另外，新兴国家依靠英国、美国、法国、俄罗斯和中国等核电拥有国的设计许可证来支持其进入核电市场。中国和俄罗斯已经率先向核电新兴国出口核电，包括提供资金和燃料服务。美国为了维持其在世界范围倡导的核不扩散和核安全规范，就必须制定一项强有力的国内核燃料循环计划。

    成果：验证抗扩散性能增强的乏燃料直接固化技术；验证简化的乏燃料回收流程，该流程有助于追踪 SNM 且减少了成本和废物；开发和验证用于审查乏燃料处理流程的实时仪表工具。

    研发示范活动：开发燃料循环技术，并且将核保障措施考虑进去，能够实现有效和高效地监测和核查核材料；开发乏燃料的化学和物理固化方法。

    3.4  管理遗留核燃料

    美国经历了五十年的核武器开发和政府资助的核能研究，这给环境带来了巨大风险，DOE 正在解决此问题。环境清理面临的技术挑战与核燃料循环的挑战相似，包括：燃料和高放废物的管理、处理和处置；接触式与远程操作相结合的低放废物处理和处置；超铀废物的管理和处置。

    INL 与 Fluor Idaho 公司共同承担了 INL 遗留核废物和燃料的清理任务，INL 为清理任务提供了具有成本效益的技术。
   
    成果：解决乏燃料长期贮存相关的技术缺口；了解铝包壳乏燃料长期干法贮存过程中的化学或辐射分解行为；为钠粘合燃料开发可替代的处理技术和处置选项；为远程处理低放废物开发先进的回取和处理技术；开发将 DOE 管理的乏燃料装入 DOE标准罐中的能力。

    研发示范活动：开发技术选项和建模工具，以确保长期干法贮存的安全性和规范性，并解决辐射屏蔽、材料限制、次临界和可回收性的问题。

    3.5  升级基础设施

    设计新的试验台架非常必要，验证先进燃料循环操作的新安保概念以及支持国家安全和商业目标均要依靠新的试验台架。此外，研发设施需要收集数据用于解决未来先进堆乏燃料长期贮存、运输和处置方面的技术问题。

    成果：开发研发用的试验台架设施以及设计配套的前端和后端燃料循环流程，并应用新的安全与保障概念以支持美国的核不扩散目标。

    研发示范活动：开发和验证实时仪表工具，这些工具的设计要支持核保障、实体安全和网络安全。

    4  综合燃料循环方案的科技亮点

    （1）完成了 ZIRCEX 流程中试厂的建造，并启动了 HEU 回收工作，未来中试厂将用于验证和优化锆和铝燃料的脱壳工艺；

    （2）完成子组件尺寸的设计，用于在 Fermi 实验堆和EBR-II 快堆的燃料再生区进行处理示范；

    （3）验证了乏燃料固化技术概念；

    （4）验证了一种生产低剂量率金属铀的新型铸造工程设计，使用这种低剂量率金属铀制造 HALEU 燃料时只需在最低限度屏蔽的手套箱内就能实现。

    来源：www.inl.gov（宋敏娜编译）