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摘要 一份智库报告指出,美国当前面临推动商业核燃料后处理的战略窗口期。报告认为,经济、防扩散和废物管理三大障碍已发生重大变化,呼吁政府出台国家政策支持后处理,修订相关法律,提供资金支持,并建立全面废物管理战略。当前美国铀供应缺口和乏燃料管理压力,使后处理成为减少废物、保障关键矿物供应和重建核能领导地位的关键机遇。
一份新的智库评估报告认为,经济性、防扩散担忧和废物管理障碍已经发生了足够大的变化,使商业核燃料后处理在美国变得可行——但前提是华盛顿在时间窗口关闭前采取行动。
一家智库警告特朗普政府称,美国拥有一个狭窄的时间窗口,可以成为世界上第一个完全实现商业闭式核燃料循环的国家。
能源创新改革项目(EIRP)于4月6日公布的新评估报告认为,半个世纪以来阻碍美国燃料后处理的三个障碍——经济性、废物管理和扩散风险——已经发生了足够大的变化,值得制定国家政策承诺。EIRP是一个无党派的非营利组织,总部位于Virginia州Fairfax,致力于连接能源技术研究和联邦政策。
该报告呼吁白宫发布正式的国家政策声明支持后处理,敦促国会修订1954年的《原子能法》和《核废物政策法》,并敦促能源部(DOE)通过融资担保和服务合同支持建设生产规模的商业后处理设施。这些建议构成了自2009年布什政府的全球核能伙伴关系(GNEP)计划失败以来,任何政策组织提出的最全面的商业后处理联邦路线图。
核燃料后处理——从反应堆乏燃料中回收有价值的锕系元素(包括超铀元素),并将其重新制造成新燃料进行再利用——在美国从未大规模商业应用。后处理(涉及回收这些材料但省略重新制造步骤)在美国的历史更长但同样困难重重。两者都受到数十年来铀价低迷、对分离钚扩散风险的持续担忧以及波动的国家政策环境的阻碍。
该报告由Oklo公司燃料循环技术总监Christina Leggett博士、布什政府时期负责全球事务的副国务卿高级顾问、现任EIRP高级顾问和董事会成员Paul J. Saunders以及EIRP创始人、前白宫环境质量委员会官员Samuel Thernstrom共同撰写。
报告指出:“通过制定支持性政策并采取相关的联邦行动,美国可以有责任地减少核废料负担,增强能源安全,确保关键矿物供应,并在核能创新领域重新确立全球领导地位——所有这些步骤都可能带来深远的经济和安全利益。”
酝酿数十年的政策窗口
该报告发布之际,正值DOE为寻求主办“核能生命周期创新园区”的各州设定的信息征集书(RFI)截止日期于4月1日结束。这项于2026年1月启动的计划旨在通过自愿的联邦-州伙伴关系实现国家完整核燃料循环的现代化,提议建设支持涵盖完整燃料生命周期活动(转化、浓缩、燃料制造、乏燃料后处理和最终废物处置)的“园区”。犹他州、南卡罗来纳州、田纳西州和华盛顿州都已表示有兴趣,而由印第安纳州、肯塔基州、纽约州、田纳西州和Wyoming州共同主持的11个“先行者”州已通过全国州能源官员协会(NASEO)提交了联合答复。
值得注意的是,3月27日,犹他州州长Spencer Cox和副州长Deidre Henderson在Tooele县签署了三项与核能相关的措施:SB 135号法案(指示该州能源发展办公室推广犹他州作为核后处理基地)、HB 78号法案(设立州核能监管办公室)以及SCR1号法案(宣布犹他州有意寻求扩大与美国核管会(NRC)的协议州地位)。四天后的4月1日,犹他州提交了正式的RFI答复——作为“千兆瓦行动”的一部分——提议在Tooele县设立一个约300平方英里的园区,其中约50平方英里为州控制的SITLA信托土地,作为包含DOE RFI中概述的所有17项功能(包括后处理、浓缩、燃料制造和废物处置)的完整生命周期园区。犹他州已与Oklo、TerraPower、Holtec、Curio、EnergySolutions和Valar Atomics等公司签署谅解备忘录,并计划在2027年启动园区初步运营。
与此同时,南卡罗来纳州参议员Tom Davis于2月提交了一项联合决议,指示制定统一的州级答复以回应DOE的RFI,但截至3月31日,该决议仍在委员会审议中。
然而,推动对核燃料后处理兴趣的条件已酝酿多年,正如POWER杂志在2025年9月详细报道的那样。尽管国会通过《基础设施投资和就业法案》(2021年)奠定了经济基础,但随后通过了《禁止进口俄罗斯铀法案》(2024年),该法案禁止进口俄罗斯低富集度铀(LEU)(全面执行将于2028年前逐步实施),并拨款27.2亿美元用于国内LEU和高浓度低富集度铀(HALEU)生产。众议院拨款委员会在其2025财年能源和水资源法案的附带报告文件中更进一步,指示DOE至少拨款1000万美元用于后处理研发,“目标是在2033年前实现商业应用”。
更近的是,2025年6月,众议员Bob Latta(俄亥俄州共和党人)和Scott Peters(加利福尼亚州民主党人)在众议院提出了《核能REFUEL法案》(H.R. 3978),同一周,参议员Jon Husted(俄亥俄州共和党人)和Sheldon Whitehouse(罗德岛州民主党人)在参议院提出了配套法案(S. 2082),该法案于2025年10月在参议院环境与公共工程委员会获得通过,未经修改,但尚未进行全体表决。该法案将修订《原子能法》,将那些不分离纯钚的后处理设施排除在“生产设施”的定义之外,旨在消除现代高温化学处理和共回收操作面临的主要许可障碍。
与此同时,先进核能许可在2024年7月的《ADVANCE法案》中得到了推动。然而,商业后处理设施许可自NRC于2016年因缺乏行业兴趣而暂停其第7部分规则制定(并于2021年正式终止,因其预计未来10至20年内不会审查许可证申请)以来一直处于停滞状态。2022年12月,Oklo开始与NRC进行预接洽,以支持其计划中的燃料后处理技术设施(该设施于2025年9月公布,选址在田纳西州Oak Ridge),但可能会通过现有的监管途径寻求许可。
特朗普总统于2025年5月23日签署的四项行政命令增添了更多雄心,目标是到2026年7月4日实现三个反应堆临界,到2050年实现400吉瓦的核电装机容量,即在不到30年内使现有装机容量翻两番。对于核燃料后处理至关重要的一点是,《行政命令14302》宣布美国的政策是“通过后处理、再处理和重振商业部门,最大限度地提高核燃料的效率和有效性”。该命令指示DOE在240天内提交关于乏燃料管理的建议国家政策、法规差距分析以及关于“有效利用通过后处理和再处理回收的铀、钚和其他产品”的建议。然而,这份本应在2026年1月中旬提交的报告尚未公开发布。
尽管如此,多位专家表示,雄心与执行之间的差距令人担忧。在3月参议院能源和自然资源委员会的证词中,Idaho美国国家实验室(INL)主任John Wagner博士指出,除了俄罗斯和中国之外,目前不存在商业规模的HALEU生产,商业供应“实际上仍由俄罗斯的Tenex公司垄断”。
虽然Centrus能源公司在俄亥俄州的示范设施截至2025年6月已生产了约900公斤HALEU——这是70多年来首次国内HALEU浓缩——但他警告说,先进堆示范项目、军事部署和早期商业订单在2026-2030年期间的预计需求“将远远超过当前的生产能力”。“在此期间,先进堆示范、军事部署和潜在的商业订单都将争夺有限的HALEU供应。这就是为什么最近决定推进核燃料后处理和最大限度地有效利用DOE拥有的材料库存如此关键。”
与此同时,Wagner表示,1982年制定并于1987年修订的《核废物政策法》“反映了四十年前的国家优先事项,它是为以大型轻水堆为主的核能格局设计的,没有考虑先进堆燃料循环、潜在的后处理途径,或在制定永久处置方案期间对集中式中间贮存的需求。”他补充说:“只有国会才能提供更新后的框架,以应对我们不断扩大的核能事业所面临的全方位乏燃料管理挑战。”他指出,随着先进堆舰队开始成形,这一需求“只会变得更加紧迫”,并且“现在就应该开始行动”。
根据EIRP报告,利害关系更加微妙——并指出了时间上的不匹配,以及潜在的国家安全漏洞。报告指出:“美国禁止进口俄罗斯天然铀或浓缩铀,在国内铀需求与可用供应之间造成了缺口,因为俄罗斯拥有全球44%的铀浓缩能力,在禁令前提供了美国35%的铀供应。”
报告补充道:“尽管美国在五十多年前曾短暂从事过商业乏燃料后处理,但几个因素——不断变化的政府政策、对扩散的担忧以及市场状况——共同抑制了对商业后处理的兴趣,直到最近才有所改观。在美国缺席该领域的期间,法国和俄罗斯确立了全球领导地位。俄罗斯还利用其专业知识为其他国家提供燃料和后处理服务(连同反应堆建设和融资)的一揽子方案;目的是帮助国家核垄断企业Rosatom赢得与其他国家(包括核能新进入国)的具有吸引力的、长达数十年的核能建设和燃料服务合同。中国可能正在采取类似的做法。”
EIRP报告指出,目前约有94,000公吨的乏燃料(UNF)安全贮存在30多个州的79个厂址的乏燃料池和干式贮存罐中,但预计每年将增加约2,000公吨。这一数字已经超过了已停用的Yucca Mountain地质处置库的设计容量,该处置库设计用于处置70,000公吨的高放废物。
相比之下,法国在对其年度乏燃料库存进行后处理40年后,截至2016年底仅积累了3,650立方米的高放废物——并且正在计划在该国东部建设Cigeo深层地质处置库(DGR),用于处置10,000立方米的高放废物(HLW)。报告称,这“足以满足未来几十年核电的需求,届时核电将满足法国大部分的电力需求”。
报告援引经合组织核能署(NEA)的一项研究称,多种乏燃料后处理方法可以将需要处置的经处理高放废物量减少80%以上。作者写道:“难以理解的是,为何在未来某个未知时间选址和建设多个深层地质处置库,会比在不久的将来减少需要长期处置的废物量更为可取。”
报告认为,未能跟上技术发展的是关于其成本的传统观念。当今全球使用的主要技术是PUREX(钚铀还原萃取)法,这是一种法国和俄罗斯已运行数十年的湿法化学过程,用于从放射性废物中分离可重复使用的材料。EIRP报告认为,一种更新的方法——高温化学处理法,这是一种在INL研发超过30年的非水相电化学分离技术——更简单、更具模块化,预计成本显著降低。值得注意的是,INL已开发出一种锆萃取(ZIRCEX)工艺,可从多种乏燃料中回收高富集度铀(HEU),然后将回收的铀稀释至HALEU水平。
根据EIRP报告,一个年处理能力为400公吨的首个同类高温化学处理设施估计耗资在5亿至10亿美元之间——无论是否包含相关的燃料制造设施。这仅占历史上与传统的PUREX工厂相关的数十亿美元规模的一小部分,报告中引用的2003年研究发现,传统PUREX工厂需要铀价达到每公斤370美元才能实现收支平衡。与PUREX不同,高温化学处理适合模块化,报告称这可能会带来额外的成本节约。
INL已经在工程规模上演示高温化学处理达30年,并已用它来回收和稀释乏燃料,为先进反应堆生产临时的HALEU供应。与此同时,韩国的PRIDE设施已经提供了支持性的成本数据。同时,自2022年以来,ARPA-E资助了两个项目——ONWARDS和CURIE——专门致力于进一步降低建设和运营成本。
几家美国公司已经准备好在2030年代初期进入商业核燃料后处理市场,尽管各自采用不同的技术路线。
Oklo正在推行一个涵盖发电、燃料制造和后处理的垂直整合模式,旨在最终通过处理其自身Aurora快堆产生的乏燃料来制造新燃料,实现闭式循环,使用源自INL工艺的熔盐电化学分离技术。该公司已开始对其位于田纳西州的旗舰后处理设施进行场地前期工作,完成了NRC预申请接洽,启动了滚动式的NRC成熟度审查,并获得了DOE后处理研发资金。Oklo还与田纳西河流管理局(TVA)签署了探索燃料后处理的协议,并宣布与Centrus围绕还原转化(deconversion)成立合资企业。
Curio的NuCycle系统将氧化去壳、选择性氟化物挥发和彻底电解集成到单一平台中,目标是到2030年代中期建成一个年处理能力为4,000公吨的商业设施。2026年2月,Curio获得了DOE的成本分担奖励(DOE向五家后处理公司共分配了超过1900万美元的一部分),以推进NuCycle从详细工程设计进入中试规模设备开发阶段,并与INL和PNNL合作。
值得注意的是,DOE的奖项还包括了专注于研究堆燃料管理的初创公司Alpha Nur,该公司获得了资金用于研究和验证从美国研究堆产生的乏燃料中回收HEU并将其转化为适用于小型模块化反应堆(SMR)设计的HALEU的工艺。位于阿拉巴马州的钍燃料熔盐堆开发商Flibe Energy获得了资金,用于研究处理乏燃料的电化学方法,这项工作与其液态氟化物堆概念以及更广泛的推动开发避免分离纯钚的非水相分离技术的努力直接相关。
SHINE利用其医用同位素生产的专业知识,计划建设一个年处理能力为100公吨的中试设施,使用湿法共萃取工艺,保持铀和钚的混合状态——这是一种有意的防扩散保障措施——并于2025年7月宣布与Standard Nuclear建立合作伙伴关系,供应回收的铀、钚和产热同位素,包括用于三层结构各向同性(TRISO)燃料生产和放射性同位素电源系统的锶-90和镅-241。
Orano是法国La Hague工厂的运营商——该工厂已处理了超过40,000公吨的乏燃料——主要通过浓缩而非后处理进入美国市场。2026年1月,DOE选择该公司获得9亿美元的奖励,用于其在田纳西州Oak Ridge的价值50亿美元的“IKE项目”浓缩设施,该设施旨在在2028年全面禁令前取代俄罗斯LEU进口,预计NRC许可证申请将在2026年上半年提交。]
除了废物减量,该报告还就燃料供应提出了同样尖锐的观点。报告指出,回收的铀和来自现有乏燃料库存的超铀元素可用于在某些先进反应堆中生产铀/超铀(U/TRU)燃料,以替代HALEU,这可以作为一个关键的“过渡燃料,直到国内HALEU浓缩能力充分建立,并且之后可以继续补充燃料材料需求。”
报告引用了一项2014年DOE燃料循环评估,该评估筛选了数千种情景,并确定最有前景的燃料循环是将快中子反应堆与铀、钚和次锕系元素的持续后处理相结合——预计这种配置将显著减少需要处置的废物,并大大提高燃料利用率。报告指出,与此同时,DOE核能办公室资助的一项2024年Argonne美国国家实验室研究发现,在后处理后仍保留超过7% U-235富集度的回收HALEU“比一次性通过HALEU燃料循环更具经济性。”
报告称:“此外,任何通过后处理回收的材料用于燃料,都会减少需要浓缩以制造新燃料的天然铀矿石资源量,正如法国使用回收乏燃料生产的混合氧化物(MOX)燃料预计将使法国对铀矿石的需求减少25%一样。”
值得注意的是,EIRP报告还指出了国内关键矿物的机遇。报告认为,美国94,000公吨的乏燃料中含有可回收数量的锆、镧系元素、铯、锶、钴、铂族金属(包括钯和铑)、氚、碲、氙和氪。
报告补充说,其中许多元素的含量足以经济地回收并出售,用于各种工业、医疗和太空应用。例如,在2024年,美国100%的五种关键矿物以及50%或更多的另外28种关键矿物都依赖外国(包括中国和俄罗斯)供应。报告认为,回收这些同位素(在某些情况下经过适当的衰变时间后)可以为后处理设施创造额外的收入来源,同时通过降低热负荷和需要永久处置的废物总体积来改善处置库管理。
[图片:平均燃耗为33吉瓦天/公吨的40年历史轻水堆乏燃料的平均元素组成。按质量计,铀占乏燃料的66.4%,剩余的33.6%包括硬件、锆合金包壳、超铀元素和裂变产物——包括镧系元素、铂族金属、铯、锶和其他可用于工业、医疗和太空应用的可回收元素。其中几种被归类为关键矿物,美国目前主要从外国获取。来源:E. D. Collins等,“实现可持续核能与关键材料回收的乏燃料处理实用解决方案”,Oak Ridge美国国家实验室,ORNL/TM-2010/81,2010年4月,转载于EIRP报告“商业乏燃料后处理的理由:评估与建议”,2026年4月。]
针对防扩散问题——历史上对后处理最麻烦的反对理由——报告提到了现代后处理技术和保障措施。报告解释说,先进的后处理方法共回收钚和其他锕系元素,而不是将其分离,这使得转移在技术上更加困难。同时,近实时的材料监测已经取代了旧的核算方法。
作者写道:“迄今为止,没有确凿证据表明钚从国内后处理厂被转移。”同时,“美国不进行后处理,显然并未阻止其他核武器国家使用该技术,并且在不断升级的地缘政治紧张时代,似乎也不太可能做到这一点,”报告称。
尽管如此,作者承认2023年美国国家科学院的一份报告得出结论,所有乏燃料都可以在没有后处理的情况下安全贮存在一个或多个深层地质处置库系统中,并且过渡到基于后处理的燃料循环“并不能解决废物问题,这是一个庞大且多层面的问题”。虽然EIRP作者没有反驳这一发现,但他们认为,“科学和技术上的可能性并不会自动转化为政治现实。”实际上,“建设一个深层地质处置库是美国几十年来一直未能完成的挑战,”他们写道。
最终,EIRP报告提出了四项建议。首先,它呼吁白宫采纳一项正式的国家政策声明,支持核燃料后处理,效仿布什政府2001年《国家能源政策》所采取的做法,该政策最终促成了2006年GNEP的成立。
作者认为,行政命令14302提供了基础,但一项专门的政策声明将向DOE、行业和私人投资者发出更清晰的信号。报告指出:“在GNEP于2006年成立后,几个对通过DOE核能办公室建立的公私合作伙伴关系进行商业后处理感兴趣的实体向NRC和DOE提交了意向书或支持信。”“除了DOE与行业之间的合作外,NRC在与DOE协商后开始了一项加速并行工作,为后处理设施开发高效的监管框架,以应对未来的许可证申请。”
其次,EIRP呼吁制定一项全面的、一体化的长期核废物战略,将后处理与永久处置相结合(而非替代)。报告称:“商业乏燃料后处理一旦建立,可以随时间推移减少高放废物量并有助于深层地质处置库的管理——但后处理本身并非旨在成为永久废物处置的唯一解决方案。它可以减少废物负担,从而提高深层地质处置库的可行性,但后处理和深层地质处置库都是全面废物战略的关键要素。”
第三项建议敦促DOE通过一系列金融机制积极支持建设生产规模的商业后处理设施。这些措施包括增加对DOE核能办公室的国会拨款、通过DOE能源主导办公室提供融资担保、与公司签订乏燃料后处理服务合同,以及为回收乏燃料的电力公司提供税收抵免。
值得注意的是,报告将联邦财务理由与联邦法律义务联系起来:“鉴于联邦政府对商业乏燃料的长期处置负有责任,联邦支持至少可以与通过乏燃料后处理减少的政府预期处置成本挂钩,”报告称。
最后,作者呼吁修订1954年的《原子能法》和《核废物政策法》,以考虑现代后处理技术。作者解释说,当《原子能法》于1946年通过并于1954年修订时,所有后处理设施的设计都是为了回收武器级纯钚,因此该法律将任何后处理设施都视为钚生产设施并相应地进行许可。
然而,新的先进后处理设施“可能不会回收纯钚,也不会构成与旧式后处理设施相同的安全和环境风险;因此,它们不需要以同样的方式进行许可,”作者写道。
已通过参议院委员会但尚未进行全体表决的《REFUEL(利用加速许可的高效燃料回收)法案》直接解决了这种许可不匹配的问题。没有该法案,追求基于现代高温化学处理的后处理公司将面临为其未使用的技术编写的监管框架。
—Sonal Patel是POWER杂志的高级编辑(@sonalcpatel, @POWERmagazine)。