开发熔盐快堆，燃料闭环运行，实现先哲理想

最近，《Reuters Events》网站编辑保罗·戴(Paul Day)发文说，担忧核电“高成本、核扩散，加剧了对核废料再循环的怀疑”。但通篇看来，似乎文不对题。虽然他在讲核电的问题，有人担心“核扩散”，核废料的处理，前景不明，但就目前和长远看，特别是“气候变化”的危机压得世界各国喘不过气来，核电还要大发展，“核电机组的数量一旦达到了某个水平，就必须利用核废料为之提供核燃料”了[1]。而且他接着发的另一篇文章，几乎解决了他之前的全部担忧……

“用过的核燃料(SNF)可以多次再循环和后处理，供再次使用。但成本高昂、核扩散的担忧，以及廉价而又丰富的铀资源，意味着现在可能不是燃料闭环的理想方式……”

图1. 法国西部瑟堡(Cherbourg)附近拉和岬(La Hague)，阿海珐(Areva)公司的后处理厂。

在全球范围内，民用核电站产生了近40万吨SNF，已后处理的不到1/3，而目前商业后处理的能力大约只有2千吨，每年通过在法国、俄罗斯、英国、印度(可能到2024年，还有日本)的某些工厂，进行后处理……

SNF具有很高的放射性，含有的重金属，可以在适当的情况下用于核武器，而且至少在数百年甚至数千年内不会失去其放射性。

支持者指出，这种后处理(大部分)有详细的跟踪统计，受到很好的控制与保护，虽然今天的技术还不能完全掌控核废物的处理方案，但随着先进堆的发展，情况会发生改变。

在美国能源部与环保署工作几十年、有核电和乏核燃料再循环经验的独立发言人史蒂文·柯蒂斯(Steven Curtis)说，“如果要在已有的核设施现场销毁现有的各种水平的乏核燃料，从技术上讲就是用快堆，那么大约能给美国提供200年的能源。”

产生的大多数乏核燃料(SNF)储存在各种料桶和干桶内，核工业和政府只找到两种方法处理它：再循环再利用，或者把它深埋地下。

图2. 乏核燃料在核电厂“干桶”存放

图3. 芬兰目前正在建造的地下核废料储存库(示意图)

这两种选择，公众都不欢迎。

据莫宁咨询公司(Morning Consult)民意调查，在美国，大约有8.6万吨SNF存储在33个州75个运行或关闭的核电厂内。相信核能在核电厂内工作的人中，支持把乏燃料保存在自己社区50英里内的，不到一半。

在美国已建的三家后处理厂，目前没有一家在运营。柯蒂斯说，各州领导人都不愿意接受SNF。

柯蒂斯说，“如果我能说服州长接收用过的核燃料，附加条件是在快堆内进行再循环，所有都由国内供应，这将为美国1万亿美元的清洁能源行业带来几十年的经济效益。”

美国国会核废料基金的资金主要来自家庭电费账单上的附加费用，估计价值450亿美元。自2010年美国能源部结束给尤卡山(Yucca Mountain)的存储库颁发许可证的努力以来，该基金一直未使用。

柯蒂斯说，仅这只基金就可以帮助启动一个私营企业的解决方案。

昂贵的混合物

新一代反应堆开发商说，他们已找到了安全、简单和廉价的SNF再循环解决方案，但今天可用的选择产生高放射性的混合物，相对新开采的铀或深层地质处置库(DGP)方案，可能更容易被潜在的武器制造商滥用，而且极其昂贵。

哈佛大学肯尼迪学院，能源、国家安全与外交政策实践教授马修·布恩(Matthew Bunn)说，“核能是气候变化解决方案的组成部分，需要比以前便宜，还要更容易选址，需要公众相信这是安全的，不会遭受恐怖主义袭击，也不会导致核扩散。 ”

但“后处理却与这些准则相反。”

目前后处理的首要方法是所谓的PUREX工艺(钚-铀还原萃取，又称“湿”法)，从SNF提取钚再与贫铀混合，制造、生产混合氧化物(MOX)燃料。

但是，这非常昂贵。

据布恩和其他人的《与直接处置乏核燃料相比，后处理和再循环经济学》研究报告说，1公斤MOX核燃料，包括废物后处理、加工过程和贫铀，各种成本约为1公斤低浓缩铀燃料的六倍。

这个报告说，“如果要成本相等，铀就必须变得非常昂贵，否则后处理就必须变得成本非常低廉。”

与DGR相比，后处理的表现也很糟糕，而且无论如何，最终仍然需要DGR。

与后处理需要的2200美元/公斤相比(其中包括200美元/公斤处置回收后仍残留的高放射性废物成本)，在地下深处的储存库中储存和处置乏燃料的成本估计为600美元/公斤。

布恩说，“重要的是要记住，如果要生产一定数量的核能，就会留下一定数量的裂变产物。无论是否进行后处理，都需要核废料处置库。”

图4. 世界乏核燃料商业后处理能力。(Source: World Nuclear Association)

廉价而丰富的燃料

尽管法国经过10年长周期的生产，SNF再循环的目标并不在于解决核反应堆基本燃料缺乏问题，这种燃料不但便宜，而且充足。

铀在地壳和海水中自然存在，相当常见，而且核燃料在核电厂总成本中，占比不到1/10。

美国阿贡国家实验室的首席核工程师罗杰·布洛姆奎斯特(Roger Blomquist)说，“虽然原则上可多次再循环，但法国人对这种材料只再循环一次，因为第一次后，技术难度越来越大。他们仍然这么做的原因是，减少‘用过的核燃料’的体积。这对核材料的理论总毒性没有很大影响”。

法国人使用PUREX工艺，SNF首先溶解在热硝酸内。美国阿贡国家实验室一直在开发更紧凑、经济的方法，称为高温后处理(又称“干”法)，用于这个实验室的一体化快堆(IFR)，即EBR-II。

据阿贡的IFR研究一书，即查尔斯·泰勒(Charles E. Till)和 尹·常(Yoon Il Chang)合著的《丰富的能源》，高温后处理工艺的成本是PUREX工艺的1/7。

不过，只要萃取铀的成本很便宜，需求相对少，再循环仍然是乏核燃料的“第二”优选解决方案。

布洛姆奎斯特说，“铀的成本这么低，一个原因是没有建造足够数量的反应堆。如果真的建造了很多反应堆，就需要再循环，而且再循环将是经济的。核电机组的数量一旦达到了某个水平，就必须利用核废料为之提供核燃料。”

第四代熔盐堆设计就靠乏核燃料运转[2]

这里讲的是北美地区即将示范的Moltex、Elysium公司的设计……

乏核燃料(SNF)再循环和后处理可能很昂贵，也有核扩散的担忧，但先进堆开发商Moltex和Elysium公司说，他们的技术将改变这个行业处理核废料的方式。

图5. 艺术家演绎的SSR-W型核电厂现场

20世纪60年代至70年代，美国首次出现了熔盐堆(MSR)研究，当时核能还处于起步阶段，橡树岭国家实验室(ORNL)的熔盐堆实验装置(MSRE)功率为7.34 MW。

但在商业上，MSR被放弃了，轻水堆成为了“默认”的品牌。

顾名思义，MSR在反应堆堆芯使用熔盐，而不是水，这使它效率高，有负荷跟踪能力、增强安全的特性，以及在高温下运行的能力。

随着新技术引入一系列第四代先进堆，Elysium和Moltex公司正在开发的那些设计具有靠SNF运行的额外的优势。开发商说，这两种设计都能确保安全，而且成本有竞争力。

Moltex公司(北美)首席执行官罗里·奥沙利文(Rory O’ Sullivan)说，“通常情况下，其他再循环利用的尝试并不经济，这就是为什么它们没有继续进行下去，而我们设计的经济性能，却有很大的利润空间。似乎真的非常可行，在经济上很有意义。”

所谓的“社会许可”，即公众接受这项技术的程度，对两个开发商也是重要的推动力。

奥沙利文说，“社会上仍然有很多人反对核废料;认为不应加以处置，甚至起初就不应存在。所以我们的确要看到，我们的反应堆设计的最大优势，就是处理、销毁长寿命的核废料。”

图6. 2018年底世界天然铀生产与反应堆消耗(吨数)

氯化乏核燃料

Elysium 公司首席技术官兼创始人埃德·菲尔(Ed Pheil)解释说，Elysium的设计是个氯化物熔盐快堆(MCSFR)，把小块的SNF倒入熔融的、摄氏500度的钠和钾的氯化物(或称之为食用和铺路的盐)中。

许多SNF，即剩余的铀、钚、微量锕系元素和裂变产物，变成氯化物，只留下某些滤出的贵金属和收集的惰性气体。

菲尔说，这并不是美国能源部国家核安全管理局(NNSA)定义的“后处理”。

菲尔说，“我们正在再循环的核废料，除了天然存在的元素，即废气和微粒之外，没有任何相关的分离。”“但这还不足以运行反应堆。还需要加入易裂变的材料。”

在美国，额外的易裂变材料是武器级钚，存量超过约61.5吨。

菲尔解释说，Elysium的反应堆要用十“份”储存的核燃料和一“份”钚。他还补充说，他们的反应堆要使武器级的钚“改性”，然后送入反应堆启动，因此不能用于任何武器，也绝不经稀释即储存在屏蔽容器中——这是当前美国政府的计划。

菲尔说，Elysium公司可把高温处理工艺，从七个不同的化学步骤减少到一步，能使其成本低于浓缩铀[3]。

菲尔说，“我们希望到2025年开始建个核燃料生产‘中试’装置。到那时，由于我国正在销毁武器级的钚，我们的‘收益流’将从销毁钚和乏燃料开始。”(销毁多余的武器级的钚，由国家出资。)

图7. Elysium设计的氯化物熔盐快堆(MCSFR)

加拿大的Moltex

总部位于英国/加拿大的Moltex能源公司，其稳定熔盐堆-燃烧器(SSR-W)设计，用传统乏燃料芯块中的低纯熔盐核燃料，也不用泵使燃料盐环绕系统循环。它有自己的再循环工艺——从核废料到稳定盐(WATSS)设施。

这个公司说，根据首个1GW机组运营和维护(O&M)的保守估算，其SSR的平准化能源成本(LCOE)的平均成本估计值为 44.64美元/MWh，远低于EIA(美国能源信息署)对新燃煤和燃气发电机组的成本预测，后者的LCOE分别为 95美元/MWh和75美元/MWh。

2021年5月，这个反应堆完成了加拿大核安全委员会(CNSC)的“颁证前供应商设计审查”(VDR)三个阶段的第一阶段，目前处于第二阶段[4]。

2021年3月，Moltex公司获得加拿大战略创新基金和大西洋加拿大机遇机构提供的5050万美元资金，用以推进该技术。

这个公司已与安大略电力公司的加拿大核可持续性发展中心、新不伦瑞克电力公司达成合作协议，并希望利用加拿大对开发小型模块化反应堆(SMR)、核能供应链和坎杜型(CANDU)核废料库存的权益，以启动其发电厂。

Moltex能源公司计划本世纪30年代初，在新不伦瑞克省的圣约翰启动首个300 MW的SSR-W和WATSS设施。

尽管这个项目在加拿大市场取得种种进展，但并非没有争议。

2021年5月，美国防扩散专家和前政府官员和顾问，给加拿大总理特鲁多写了一封公开信，表达他们对政府为Moltex提供财政支持的担忧。

他们在信中说，“我们主要担心的是，通过支持乏燃料后处理和钚提取，加拿大政府会危害全球武器不扩散制度，加拿大曾为强化做了很多工作。”

Moltex公司的答复说，虽然传统的SNF后处理可能有核扩散问题，但它的WATSS工艺流程会“绕过”这类的问题。

Moltex公司在答复中说，“作者非常正确地表达了对常规后处理项目可能导致武器可用材料风险的担忧。这种工艺，既复杂又昂贵，加拿大不能接受，也没有经济意义。”

它说，“作者不知道我们的WATSS工艺，因为公开的只是高层细节。它一直设计得没有能力生产武器级的核材料。”

熔盐快堆能实现核能先哲的理想

从根本上讲，核能是宇宙间所有能源之源，包括人类最希望依靠的各种可再生能源，而且特质与周围环境无关，更不用说“气候变化”了!人类探索(不是“征服”)宇宙，脱离太阳系，只能依靠核能!

不同能源，经济成本很重要。快堆，特别是熔盐快堆能解决成本问题，这是它相对其他核技术的“比较”优势。因为熔盐快堆可用一切天然易裂变(232U)和可增殖(232Th、238U)核材料启动反应堆;燃料是液态，提取、制作最简单，在经济上，其他堆型无法超越。单是原始材料提纯、加工制造成型，就会使核燃料的成本翻几番，更不用说乏核燃料再循环利用的难度了。用其他堆型卸出的乏核燃料做原料，熔盐堆工艺最简单，甚至只有“一步”，工艺成本大大降低……

“防扩散”是政治概念。有些国家即使不计成本，也没有从商用堆卸出的乏燃料制成核武器;恐怖组织不惜代价，至多只能制造个“脏弹”而已。熔盐堆，既可在工艺上杜绝，又可用“改性”方法防止偷窃。现有的防护监控手段和核保障措施足矣。

行业内专家最忧虑的是电厂“运行维修”的人身安全和设备、管道系统材料的腐蚀问题。就Moltex的设计而言，可以做到比现代压水堆还安全;至于Elysium的设计，与上个世纪60年代美国橡树岭国家实验室成功运行4～5年的熔盐堆实验装置(MSRE)整体布置类似，设备材料都是ASME规范标准的，又有目前现代技术进步(如人工智能和机械人技术)，现场遥控监视、检测和维护方面，能确保设施和运行与维修人员的辐射安全。

重要的问题在于实践，通过示范装置运行发现问题，消除隐患。Moltex的设计，本无必经示范，即可在20年代后期投入商用，但加拿大坚持用坎杜堆卸出的乏燃料做首堆启动核燃料，花费时间长，闭路循环，需要示范验证;美国能源部已决定出资支持Elysium，2025年开始建核燃料生产“中试”装置;比尔·盖茨支持的泰拉能源公司的MCFR设计与Elysium的MCSFR基本相似，将在爱达荷国家实验室(INL)先建个发电能力不到50 kW的示范装置，预计将于2026年投入使用……

中国科学院上海应用物理研究所，早年曾与美国能源部橡树岭国家实验室合作，后独立开发了TMSR-LF(液态燃料钍基熔盐堆)，其原型堆2 MWe已建成，正在调试，有可能最早获得突破……

图8. 中国甘肃武威钍基熔盐堆综合实验基地示意图(右下方为TMSR-LF)

世界核科学研究的先哲们，早就预想到它面对的难题和“用于和平”的前景：核材料入堆发生核裂变生产核能，连续加入新燃料，不断排除裂变产物，“50 年以上无需净化或在不去除锕系元素情况下进行在线净化”(Elysium)[5]。运行中产生的废物只是各种裂变产物，300～600年内可衰变为无害、非常珍贵的“稀有金属”。产生的某些高放污染和退役废物，可调制打包，送入深地处置库(DGR)永久储存，数量不到原“体积”的千分之一……

科学发展到今天，先进快堆技术已经开发、设计完成，有必要、也有可能实现先哲们的理想。

资料与注释：

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阶段：供应商核电站设计全面评估;2阶段：确定设计的任何潜在的基本障碍;3阶段：跟踪，就2阶段发现的某些问题，交流信息，提供后续设计准备活动。(CNSC, Pre-Licensing Vendor Design Review, Pre-Licensing Vendor Design Review)

5 CH，先进能源科技动态监测快报，2018年第22期(总第324期)，p.13-14