闭式核燃料循环的未来之路

问答：迈向闭式核燃料循环

2025年8月8日08:49

俄罗斯Tenex公司创新产品开发部门负责人、世界核协会乏燃料工作组前主席Mikhail Baryshnikov解释了什么是闭式核燃料循环及其发展现状。

如何定义闭式燃料循环？

闭式燃料循环是指核反应堆排出的燃料经过后处理，回收的核材料被重新用于制造新燃料的系统。在现代轻水反应堆中，燃料并未完全燃烧。实际上，燃料重量的97%是未燃烧的铀和钚，这两种元素均可重新用于制造新燃料。因此，从高效利用自然资源和最小化废物的角度来看，闭式燃料循环是目前唯一可行的解决方案。然而，由于轻水反应堆中子能谱的特性，传统轻水反应堆只能支持一次钚循环和两到三次铀循环。

如何解决这一问题？

一种有前景的解决方案是“分离与嬗变”。这是一种技术过程，涉及将乏燃料分离为不同组分，以优化利用每一部分。该过程考虑了一些能够改进当前废物管理实践的具体技术。

这与目前的乏燃料后处理方法有何不同？

在法国和其他采用类似方法的国家，后处理过程中仅回收铀和钚，其余材料被视为废物。回收的铀和钚被重新用于轻水反应堆作为燃料，其余部分则被玻璃固化并送往最终处置。这种方法下，铀只能重复使用两到三次，因为“偶数同位素”的积累会显著降低燃料效率，而钚通常由于类似限制仅能使用一次。

分离与嬗变如何改进这一点？

在分离与嬗变的情况下，铀和钚被分离时，还会提取一种被称为“次锕系元素”的关键组分。这些是乏燃料中最长寿命且最具危害性的成分。随后，次锕系元素被送往嬗变，通过用加速粒子轰击（在快中子反应堆或质子加速器中进行）将其转化为危害较小的元素。快增殖反应堆尤其具有前景，因为它们可以使用从乏燃料中提取的钚制成的燃料运行，从而支持多次循环。因此，最终处置的废物量和长期危害显著减少，同时钚的利用效率大大提高。

嬗变需要快堆吗？

是的，快堆和先进的放射化学技术是这一过程的关键。此外，还需要相应的基础设施，如运输容器、放射化学工厂、燃料制造厂等。当然，还需要一个能够协调所有环节的集成商。

谁能够提供这样的基础设施？

有几种可能性。作为TENEX的代表，我可以自信地说，Rosatom旗下的俄罗斯公司已经在开发此类系统。大部分基础设施，包括快堆、放射化学工厂和制造设施，都位于俄罗斯。如果将燃料循环管理外包给我们，国际客户将更容易运营其轻水反应堆，而无需在本国开发这些设施。

TENEX以供应浓缩铀闻名，为何扩展至乏燃料管理领域？

这是一种市场驱动的解决方案。天然铀供应有限且价格波动较大，而乏燃料中96%是铀，约1%是钚，我们已经掌握了提取和利用两者的技术。此外，我们具备高效管理放射性废物的专业知识。这使我们能够为核燃料循环提供一种新方法，或者更准确地说，一种新型的核燃料循环解决方案。本质上，我们讨论的是一个完整的系统，包括快堆、容器、放射化学技术以及再生核材料的燃料制造。

可以将其与核燃料“租赁”类比吗？

从法律上讲，这不属于租赁范畴。但从本质上讲，其运作方式类似。我们会向反应堆供应新燃料，收集乏燃料进行后处理，随后可能会返回由再生材料制成的新燃料。

还存在哪些技术挑战？

当然，仍存在挑战，但这些挑战与改进现有技术和扩展基础设施有关。

推动这一系统的下一步是什么？

我们致力于将燃料循环优化解决方案打造为一种现成且完整的服务。这意味着不仅需要为新燃料和乏燃料制定标准，还需要为乏燃料后处理和次锕系元素嬗变产生的放射性废物制定标准。我们已经为此类废物开发了可靠的包装和参考样品，并完成了其最终隔离设施的概念设计。然而，放射性废物的处置是各国运营商的责任，因此仍需大量工作将这些技术解决方案纳入国家法律法规。这是至关重要的工作，因为如果成功，核能将在从采矿、浓缩到循环利用和最终废物处置的每个环节都展示出全面且可持续的解决方案。

有多少国家考虑采用你们的解决方案？

我认为我们的全球覆盖范围已经很广泛。虽然全球范围内全面采用可能还为时过早，但对我们解决方案的兴趣持续增长，潜在客户的数量也在增加，他们对我们提出的“可持续核燃料循环”这一名称表示认同。

从创新角度看，这是否增强了核能的可持续性？

当然。一个典型的例子是前面提到的快中子反应堆。这些本质上属于第四代反应堆，是目前最先进的反应堆。我们的放射化学工艺、制造技术和容器也采用了最先进的技术。在各个阶段，我们都使用最优秀的技术。

最后，您对闭式燃料循环在未来50至100年的发展有何预测？

从长远来看，闭式燃料循环是唯一的选择。否则，我们最终会耗尽自然资源，废物的负担也将变得难以承受。遗憾的是，燃料循环中的过程需要数十年才能完成，因此在50年内全球范围内全面采用闭式燃料循环可能不太现实。但在100年内，我有信心它会成为普遍标准。