美国重启核废料回收利用战略

近五十年来，核废料一直被视为一个棘手难题，被锁在干式贮存罐中，归入迟迟未能建成的处置库，通常被视为昂贵的负担而非资源。但是，在美国自卡特政府以来首次明确支持核回收的新政策推动下，多家美国公司正在推动重新思考该国停滞的后端燃料战略。所有公司都在推进商业规模的回收概念，声称能够回收有价值的裂变材料，减少废料的体积和热负荷，并为下一代反应堆提供燃料。

"回收的一般定义是将废物转化为可重复使用材料的行动或过程，"LMNT咨询公司创始人、美国核学会前主席Steven Nesbit在6月该组织的年会上指出。"然后我们有核回收的定义——分离乏燃料中的材料，即后处理过程，并对其中的一些产品、一些材料进行有益利用。"

这个概念并不新鲜。Nesbit提醒与会者，在美国，其起源可追溯到1940年代，植根于曼哈顿计划，该计划旨在获取分离钚用于核武器。"它成功地实现了这一目标，之后被美国和其他核武器国家广泛部署，再次用于这一目的——积累武器级钚以备武器使用。幸运的是，还没有任何使用，"他指出。

[表1：法国诺曼底的Orano La Hague工厂每年处理1,600公吨乏燃料，回收铀和钚以供再利用——主要用于混合氧化物(MOX)燃料——同时将剩余的高放废物玻璃固化以进行长期贮存。自1966年开业以来，这个300公顷的设施已处理超过34,000公吨燃料，仍然是回收技术的全球基准。由Orano提供]

从一开始，核分离的基本化学就证明了其从民用反应堆燃料中回收可用材料的能力。法国和英国将后处理作为燃料安全和废物管理的基石，显著推进了钚-铀氧化还原萃取工艺(称为PUREX)。英国的Sellafield设施在58年运营期间处理了超过55,000吨燃料，于2022年关闭。如今，由Orano拥有的法国La Hague工厂(图1)每年处理超过1,600公吨乏燃料，后处理钚和铀用于混合氧化物(MOX)燃料。"我们在La Hague总共回收了超过40,000公吨燃料，这还不到我们在美国贮存量的一半，"Orano的技术顾问和核专家Sven Bader指出。

在美国，冷战期间的努力集中在军事需求上，特别是提取钚用于武器。汉福德和Savannah River Site的武装部队反应堆依赖PUREX技术。1960年代，美国在纽约西谷启动了其唯一的商业后处理项目，在1966年至1972年间处理了640公吨乏燃料。虽然另外两个商业设施建成，但从未投入运营。通用电气在Illinois州的Morris设施于1970年代初完工(耗资6,400万美元)，但在测试发现基本设计缺陷后被宣布无法运行。

与此同时，联合通用核服务公司于1970年开始在南卡罗来纳州建造庞大的Barnwell设施，设计每年处理1,500公吨，可能使其成为世界上最大的后处理厂之一。到1976年，该工厂基本完工，等待监管批准开始运营。

然而，1977年，卡特政府"无限期推迟美国核能计划中产生的钚的商业后处理和回收"，理由是印度1974年使用民用反应堆钚进行试验后引发的扩散担忧。虽然罗纳德·里根总统于1981年解除了禁令，但1982年的《核废物政策法》"从经济角度来看，让已经为燃料处置向美国政府付费的反应堆运营商也为回收付费变得不明智，"Nesbit指出。

在随后的几十年里，乏燃料管理仍然是一个基本未解决的挑战。如今，约90,000公吨乏燃料安全地贮存在全国70多个反应堆厂址的干式贮存罐中，虽然这反映了安全临时贮存实践的显著进步，但也凸显了数十年的监管、政治和经济僵局。

这种情况可能会改变。特朗普政府2025年5月的行政命令指示能源部建立政府所有、承包商运营的回收设施，以启动国内能力并为高浓度低富集度铀(HALEU)建立安全供应链。同时，美国核管会(NRC)正在与行业就许可途径进行直接接触。而且，从技术上讲，回收材料的需求已经开始与先进反应堆对含20% U-235的燃料——HALEU——以及可以利用超铀元素(包括钚和次锕系元素)的需求更加紧密地结合。"一些先进反应堆更适合使用回收材料，"Nesbitt解释说。例如，快谱设计可以燃烧锕系元素以减少长寿命废物并延长资源利用。然而，Nesbitt指出，现有库存仅含约1%残余U-235，不足以满足此类应用。

从战略上讲，后处理的努力因日益增长的供应链脆弱性而得到加强，这突显了俄罗斯作为世界上唯一商业HALEU生产国的作用。同时，处置库容量仍然是一个悬而未决的问题。正如Idaho美国国家实验室(INL)材料回收和废物形态开发活动技术主任Kenneth Marsden博士强调的那样，后处理"减少了材料的体积，减少了进入处置库的材料的热负荷，从而延长了处置库的使用寿命。"从财务角度来看，利害关系是明确的。正如他指出，核废物基金"每公斤约为850至1,100美元"，但在一次通过燃料循环下，"我们为所有这些材料的处置付费，却没有从其中的裂变含量中获得任何价值。"

尽管如此，目前乏燃料回收仍面临重大的技术和经济障碍。Marsden表示，只有当乏燃料含有约7%–8%残余U-235富集度时，回收才可能变得经济有效。"你可以争论是5%，也许是10%，但肯定不是0.7%或1%——可能要高一个数量级，"他指出，并补充说，在该水平上，回收和再利用富集度可以自行支付过程费用。虽然INL正在推进用于金属燃料的高温处理和先进水法，但Marsden强调需要基础设施来"通过回收当今存在的高价值材料来保持和扩展能力。"他表示，这些努力可以为新技术提供实验台，并为行业部署准备中期职业人员，使用政府拥有的材料，如卸料的研究反应堆燃料，这些材料"在经济上可行，并且可能作为政府责任存在。"

这一基础工作正与新一轮公司相匹配，每家公司都采用不同的燃料回收方法，但都定位在2030年代初进入市场。

[表2：Curio正在开发NuCycle，一种乏燃料回收工艺，旨在将高放废物体积减少96%。该系统为现有和下一代反应堆生产回收燃料，以及用于医疗、工业和其他应用的同位素，作为其闭式核燃料循环方法的一部分。由Curio提供]