核技术中心：先进核设施与废物管理合建“经济学”

美国麻省理工学院(MIT)核燃料循环项目首席研究科学家与执行主任查尔斯·福斯伯格、MI核科学与工程系TEPCO教授雅格布·布恩乔诺和国际咨询公司Lucid Catalyst总经理埃里克·英格索尔，在美国核学会(ANS)核新闻专线(Nuclear Newswire)发文说，通过核设施(包括裂变电池制造厂和核动力制氢基地)与废物管理运营组合在一起，建立核技术中心，可以创造就业机会、促进经济发展，并简化废物管理。他们指出，“核技术中心有可能打破废物与处置设施选址的僵局”[a]……

核废物处置设施与其他核设施地理分离的商业燃料循环组织是个历史产物。有大量经济和制度激励机制，把许多燃料循环设施与处置库合并。同样，把拟议的裂变电池制造厂和核制氢/合成燃料超级工厂与其他废物管理设施(乏燃料储存、低水平废物处置等)联合起来，创建核技术中心，也有大量的经济和制度激励机制：既经济节约、产生就业机会和税收，也简化废物管理。

经济节省来自共享服务(如安全和环境监测)、地方支持组织更大的基础设施(如咨询顾问、专业供应公司和工人培训规划)，也减少了运输联系。制度激励包括:(1)因为新的商业机会、高薪工作、税收和废物管理结合在一起，创造强有力的地方和州的支持;(2)在颁证和支持方面有个有知识的地方和州政府，比如当地工人培训课程和高等院校。

在萨凡纳河(南卡罗来纳州)、橡树岭(田纳西州)和汉福德(华盛顿州)等现有的能源部(DOE)基地周围，这类技术中心已开始出现。沃格特尔(Vogtle)核电站靠近萨凡纳河遗址，而哥伦比亚核电站紧邻汉福德。第一个第四代核反应堆，凯洛斯(Kairos)能源公司的氟化盐冷却高温反应堆试验反应堆，将在橡树岭建造。每个这类的现场，政府和私人土地上都有大量政府和商业核设施，附近还有各种专业的技术公司，为多个政府和私人客户提供服务。

乔治亚州哈兹菲尔德-杰克逊亚特兰大国际机场

在某些机场附近，可以找到非核、类似核的技术中心，如亚特兰大哈茨菲尔德-杰克逊国际机场、莫哈韦航空航天港和查尔斯顿国际机场。这些机场都有商业航班，但也有其他活动：共享滑行道、共享安全，以及许多其他公-私土地上的服务。亚特兰大拥有庞大的达美航空业务、飞机维护和培训设施。查尔斯顿是个民用军事联合机场，包括波音商用飞机制造厂和其他设施。莫哈韦有商用飞行测试、航天工业开发、重型飞机维护和商用飞机仓储。

人们期望核技术中心会有多种类型的设施，包括有非公共铁路和公路连接设施的工业园区，可以在现场运输放射性物质，而不要求通过公共公路运输。它有能力使放射性废物能够转移到中央处理和处置设施。但如有个低水平废物处置现场，它就可将中心设施用过的大型放射性部件移动到该处置场，而不需要先切割成小块，以满足公路运输的要求。 放射性物质的现场运输同时降低了成本和风险。

本文描述了三个候选的核技术中心，即处置库、核制氢超级工厂和裂变电池翻新设施。大量高薪工作、税收和废物管理设施的长期结合，可以使这些中心对社区和州具有吸引力，而不是孤立的废物管理设施，后者通常被公众视为“垃圾场”。

地质处置库

如果有人为美国设计一个核能系统，尽量降低成本、风险、社会反对和环境影响，哪些设施要与处置库配置在一起?随着美国能源部再次试图为乏核燃料储存设施选址，再建立一个处置库[1]， 现在是提出这个问题的适当时机。其结论是，这样的处置库将有成千上万的高薪、非建筑的长期工作岗位，其中大部分工作与处置库运营无关[2-4]。这些工作将与以下方面有关：

国际保障措施培训和发展中心。这个处置库的接收设施将拥有世界最大和最多样化的乏燃料。这使它成为培训国际原子能机构(IAEA)检查员、试验多种类型乏核燃料(SNF)安全保障系统的首选地。因为培训人员不断涌入 ，这样的中心将产生大量的二级酒店和餐饮工作岗位。

乏燃料和高活性材料的测试和处理。美国有大量的设施检查、测试和处理乏核燃料(包括失效燃料)、高辐射源，如钴-60和铯-137，以及生产医疗和其他同位素的高活性废物。运营和维护这些设施的成本很高，原因有几个。首先，每个设施都有自己的安全、环境监测和类似的管理功能。其次，这些设施产生复杂的高放射性废物、高活性废物、辐照金属和其他废物的混合物。与处置库联合配置可使：(1)能够共享安全、环境监测和其他间接服务;(2)降低废物处理成本。

由于运输和处置的要求相互冲突，许多核废物流的处理和处置成本高昂。对于运输，为使成本最少，废物的容积越小越好。大型受污染部件要缩小尺寸，以便装入运输容器。对于处置，人们希望废物具有良好的长期稳定性能。有了集中的设施，可以使用低成本的替代废物形式，例如比高放废物玻璃性能更好的特种水泥，但现在还不能使用，因为这种废物形式的最终废物体积增大，从而增加运输成本。(提高废物形态性能的一个因素是，废物中放射性核素浓度越低，对废物形态的辐射损伤就越小。)通过联合配置，可消除对公路尺寸和载重的要求。

目前处理和包装这种材料的设施规模不等，既有大型设施，如爱达荷州的海军反应堆设施，也有仅几十名员工的小型设施。在海军设施中，已从海军SNF中采集样本并进行破坏性测试，以确定燃料的长期性能，从而确定核潜艇在不加油或退役情况下能持续运行多长时间。商用燃料和研究燃料也进行了类似的操作。逻辑上属于存储库站点的此类设施有一长串。

核燃料后处理。将未来的后处理和燃料制造设施集中在储存库现场，可以大量减少从前端接收设施到废物管理的资本和运营成本——可能会减少三分之一或更多。在冷战期间，汉福德普雷克斯工厂每年处理5000-7000吨短寿命靶件和燃料，以回收武器钚，但它比法国拉海牙商业设施小得多，每年的吞吐量只有1600吨。现场废物处理装置是主要的区别。例如，汉福德燃料的化学去包壳比机械去包壳成本低，但产生的废物量大得多，这使得将此类废物运到场外进行处置的成本非常昂贵。后处理厂中分离裂变材料和肥沃材料的实际分离部分，不到总资本成本的10%。

汉福德因为使用浅地处置和罐储这些长寿命的废物，在废物管理方面有许多失败。但是，如果后处理厂与处置库相结合，并使用成本较低、性能较高、数量较多的废物形式，这些挑战就会被消除。

另一个节约的领域是联合服务(安全、辐射监测等)以及各种设施，诸如在处置库和后处理厂的SNF和HLW的前端接收设施。如果经济因素驱动后处理决策，就要对易裂变含量高的SNF进行后处理，但易裂变含量低的SNF或难以处理的SNF将被视为废物。这两种设施都可以使用相同的前端设施。

由于需要良好的交通连接和足够多的劳动力，集中配置施加了各种选址要求。从经济角度看，成本最低的处置库应在盐矿内。因为盐岩有能力确保废物隔离很长时间，也认为是处理长寿命放射性废物的首选地质[5]。美国一个运营中的永久性处置库，即位于新墨西哥州的国防废物隔离试验厂就在盐岩内。在欧洲，盐矿中有多个处置有毒重金属废物的地质储存库，包括德国的Herfa-Neurode危险废物库，它是世界上第一个建成的地质库。

图1. 美国的岩盐矿床

如图1所示，美国大部分地区都有岩盐矿床。其他地质条件也可以使用，但处置的成本会更高。 美国有相当一部分地区适合于浅层土地和地质处置不同的放射性废物。选址不受地质条件的限制。

裂变电池

裂变电池(FB)，也称为核电池，属先进核反应堆类型，按定义有四个特点：(1)在制造厂按标准尺寸批量生产，以便在主要市场上参与经济竞争;(2)作为完整的系统运送给客户，并在使用后返回制造厂;(3)运行安全，无人值守;(4)高度可靠[6-9]。大规模生产和可运输性，使之广泛使用，并能降低成本，但也限制了反应堆的物理尺寸，从而限制了其输出功率。市场、制造成本和技术限制表明其规模可能在5至30兆瓦之间。

裂变电池可以在工厂生产，然后用货运卡车运输。

低碳世界的市场将是用于供热和/或发电的小于250兆瓦的客户，许多客户有多个裂变电池(FB)。这种电池将取代石油和天然气，可能占能源市场总量的10%，包括化工厂、大型机构(高等院校、医院等)，生物燃料、工业客户、数据中心和集装箱船。低碳世界中的大型能源用户还有其他选择，比如更大的模块化反应堆和带有碳捕获与封存手段的化石燃料，这些选择在较大的产出中可能是经济上的首选，但需要大量的现场施工和各种设施，因此在较小的规模上可能没有竞争力。

可能的商业模式是租赁FB [7]，类似于租赁商用喷气发动机和飞机的做法。这就把监管责任推给了租赁公司而不是客户，因为客户不从事能源业务，而是需要能源供自己使用。一个供应商要制造和租赁数千个FB，并在制造厂换料/整修，以便重新使用。FB制造厂/整修设施将是体积最大的放射性废物产生者，按放射性计算仅次于后处理工厂，但远远大于任何单一的核电站场地。

对于通过驳船进入海洋以接收和交付给不同的客户将有很大的激励。 SRS/Vogtle、橡树岭和汉福德都有驳船出入口。 此外，当地现有的低放废物和SNF储存设施，如干桶储存，也会有很大的激励。 关键特征是就业、税收和多种废物管理设施的紧密结合。

核制氢基地

图2. 最左边的建筑包括先进热源制造/组装设施(较大的建筑)和预制设施(较小的建筑)。左边是反应堆制造设施。中间是正在运行的反应堆(蓝色舱口)位于地下紧靠配套的热交换器“吊舱”(绿色舱口)。最右边是氢气生产设施。[b](Image: LucidCatalyst[c])

图3. 制氢成本与容量因子的关系。(Image: LucidCatalyst)

任何低碳的未来都需要大量的氢气：部分用于工业用途(如化肥、钢铁和生物燃料)，也可能作为天然气的替代品。 最近的研究[10,11]提出一种核动力制氢的新模式——超级工厂(图2)。单一现场会拥有制造设施，建造模块化反应堆，并利用这些反应堆产生的热能和电力制氢。 氢气将在下游的流程消耗(例如，合成燃料和氨气)，或者注入天然气网。 这些反应堆将在多年的建造过程中安装，并返还集中配置的制造厂，酌情进行整修或退役。

通过在同一现场对所有反应堆进行连续生产、维护、运行和整修，可以获得巨大的经济收益，因为与这些活动的传统方法相关的所有潜在的高成本，都可用生产率高、制造过程成本低取代。 最初的研究考察了一个现场，有36个600 MWt的反应堆，每个反应堆年产氢量为200万吨，相当于一个中型炼油厂每天约20万桶合成燃料的产量。目前美国的氢气产量约为每年1100万吨，但许多低碳能源期货预测氢气需求将增长到每年1亿吨。

氢气/合成燃料的特性使超级工厂成为可能。这种设施的能源输出，类似大型综合炼油厂。 在这种情况下，大型电力传输系统和大型管道系统及其相关储存设施的能力存在重大差异。大型输电线路的容量为1-3 GWe，基本上没有储能空间。管道的传输能力以数十千兆瓦为单位。 氢气和合成燃料，类似天然气和液态产品，可以储存在地下设施内。这种设施目前储存的天然气可供30天使用。这就有可能大规模制氢和储存氢气，并输送给广泛的客户群，使得像超级工厂这样的大型、集中式设施，在技术和经济上都成为切实可行的选择。合成燃料甚至能用油轮进行更远距离的运输，销售到全球市场。

第二个因素是低碳氢生产的经济性。如图3所示，制氢设施的资本成本很高，必须在容量因子高的情况下运行才经济。这一要求与核电站很吻合，但如氢能源来自低容量因数的太阳能，氢气就会很昂贵。核电站的容量因子约为90%，而风能约为35%，太阳能约为25%。制氢厂和所有其他化工厂一样，有较大的经济规模，强烈支持稳态运行，这与核电站的特性相匹配。

输出功率数十千兆瓦的巨型工厂意味着比任何现有核电站都要大的废物产生率。这就产生了选择现有SNF储存设施和/或LLW处置场的激励。

体制结构

核技术中心需要不同的商业和体制结构[2,4]，因为不同的设施所有者有不同的优先事项，但必须合作才能成功。如前所述，一些机场为这类核技术中心提供了模型。在不同的设施之间有不同的安全区域和内部公路或铁路用于运输材料，包括放射性废物。还必须有足够的土地进行扩建和良好的交通联系。核技术中心将是区域SNF储存和其他废物管理活动的合理场所，因为这些场所将有数十年或数百年的使用寿命。这样的核技术中心可以主要是私人的、公共的，也可以是公私合作的某种组合。

与地方和州政府合作有很多激励因素。核技术中心有可能打破废物和储存设施选址的僵局。想象一下，如果联邦政府承诺在10年内提供数千个长期非建设性工作岗位，开设一个拥有巨额增值税收入的存储库，而不是设计最小化当地就业和福利的存储库。这就定义了研究和发展议程：确定和了解要配置哪些设施和功能，以尽量减少总体经济和社会成本。

美国核燃料循环系统的地理特征反映了历史。裂变电池、用于制氢的超级工厂和处置系统的潜在部署，促使我们重新思考如何组织这个系统，以降低成本和环境影响，同时破除各种障碍，建立一个功能齐全的废物管理系统。其他行业也有类似的系统。一些机场已成为航空器技术中心，共享设施和服务为每个人提供经济利益。对于核处置库，反思的责任属于政府，而对于其他核技术中心来说，反思的责任属于私营部门。

启示与见解

美国能源部近期在乏核燃料管理政策上有松动，主要是先进核反应堆设计的进步、高浓缩铀后处理和高含量低浓缩铀(HALEU)需求的推动。全球气候危机推动能源转型，核能系统不能固步自封。支持、辅佐可再生能源发展，配合分布式能源开发，先进堆和小型、模块化是方向，乏核燃料后处理与闭路再循环是必然趋势，是核能发展的下一个高峰。

核能系统在思考变革，经济、安全、公众意识和意愿是重要驱动力，但最根本的还是经济。根据现实和需要，积极主动地求变，破除各种障碍才能摆脱被动、落后的局面。

核学界对核废物、乏燃料的储存(storage)和处置(repository)用语有不同的含义。但随着美国处置库选址的艰难行进和新技术探索，两个词汇的含义也在“模糊”，甚至使“深层地质钻孔处置”核废物，在设计上也有可能需要和手段“回取”。至于需不需要视情况而定，最重要的是环境变化的必要性和处置物内含的经济价值……

经济，重要的因素是高效的供应链，包括现场施工实践。 这也是中国轻水堆基建成本低的基础。但情况也会发生变化，特别是设备和现场施工的劳务成本，所以要做的思想准备很多。我们有严格意义上的核电池或先进堆吗?下一代核技术中心(hub)现场在哪里?任何核设施出口，都可能造成对输出国几十年，甚至上百年的依赖，我们要不要参与这种竞争，并做适当的准备?

资料与注释

a Charles Forsberg, Jacopo Buongiorno, and Eric Ingersoll, Nuclear tech hub: Co-siting cutting-edge nuclear facilities with waste management sites, Nuclear Newswire (American Nuclear Society) , March 4, 2022.

b Eric Ingersoll and Kirsty Gogan, Missing Link to a Livable Climate: How Hydrogen-Enabled Synthetic Fuels Can Help Deliver the Paris Goals, Lucid Catalyst, September 2020.

c LucidCatalyst is a highly specialized international consultancy offering thought leadership, strategy development, and techno-economic expertise, the mission is to accelerate affordable decarbonization and universal access to clean modern energy. Lucid Catalyst has offices in Cambridge, Massachusetts USA and London UK

1. U.S. DOE, “Notice of Request for Information (RFI) on Using a Consent-Based Siting Process to Identify Federal Interim Storage Facilities,” Federal Register, Dec. 1, 2021.

2. Forsberg, C., “Coupling the Back End of Fuel Cycles with the Repository,” Nuclear Technology, 180 (2), 191-204 (Nov. 2012).

3. Forsberg, C., and L. Lewis, “Collocation and Integration of Reprocessing and Repositories: Implications for Aqueous Flow sheets and Waste Management,” Paper 7390, Global 2013, Salt Lake City, Utah, Sept. 29-Oct. 3 (2013).

4. Forsberg, C., and W. F. Miller, “Coupling Fuel Cycles with Repositories: How Repository Institutional Choices May Impact Fuel Cycle Design,” Paper 7902, Global 2013, Salt Lake City, Utah, Sept. 29-Oct. 3 (2013).

5. Johnson, K. S., and S. Gonzales, Salt deposits in the United States and regional geologic characteristics important for storage of radioactive waste, prepared for Union Carbide Corp., Nuclear Division, Oak Ridge National Laboratory, Office of Waste Isolation, Y/OWI/SUB-7414/1 (1978). Also available from Oklahoma Geological Survey, Open-File Report 18–2018, www.ou.edu/content/dam/ogs/documents/data/OF18-2018.pdf.

6. Agarwal, V., J. C. Gehin, and Y. A. Ballout, “Fission Battery Initiative, Research and Development Plan,” INL/EXT-21-61275 (Jan. 2021).

7. Forsberg, C., and A. W. Foss, Markets and Economic Requirements for Fission Batteries and Other Nuclear Systems, MIT-ANP-TR-191, Center for Advanced Nuclear System, Massachusetts Institute of Technology (2021).

8. Buongiorno, J., B. Carmichael, B. Dunkin, J. Parsons, and D. Smit, “Can Nuclear Batteries Be Economically Competitive in Large Markets?” Energies, 14, 4385 (2021).

9. Buongiorno, J., J. Freda, S. Aumeier, and K. Chilton, “A Strategy to Unlock the Potential of Nuclear Energy for a New and Resilient Global Energy-Industrial Paradigm,” The Bridge, 51, 2 (June 2021).

10. LucidCatalyst, Missing Link to a Livable Climate: How Hydrogen-Enabled Synthetic Fuels Can Help Deliver the Paris Goals, www.lucidcatalyst.com/hydrogen-report (2020).

11. EPRI, Rethinking Deployment Scenarios for Advanced Reactors: Scalable Nuclear Energy for Zero-Carbon Synthetic Fuels and Products, 3002018348 (Dec. 2021).