1、核燃料循环的未来（概要报告）MIT 跨学科研究报告麻省理工学院2010-09-16引言与致谢2003年,MIT发表了多学科研究 报告核电的未来。其论点是，核能是一个低碳世界上的重要市场选项。至少今后的几十年内，降低电力生产之二氧化碳排放排放排放的 现实选项只有四个：提高能源利用效率，扩大使用可再生能源如 风能和太阳能，化石燃料电厂由煤炭 转向天然气或过渡到捕俘与永久扣押二氧化碳，排放排放排放以及核电。 该报告的观点是，所有的四个 选项都是比要的，从碳排放排放全面管理战略中排除四者中的任何选项都是错误的。该报告检查 了发展核电的各种障碍，提出了促 进核电成为市场选项的一系列建议。报告发表以来美国
2、和全世界发生了巨大变化，我 们2009年 发表了对2003年的更新报告。对气候变化的担心急剧上升，许多国家对温室气体排放排放采取了各种限制，而且美国也期望在未来某时对二氧化碳大气排放采取限制。今天核能提供着美国70%的“零”碳排放电力，是电力部门降低温室气体排放的主要候选者。 虽 然目前全球经济不景气有所影响，美国和全世界核电增长的预测值依然大幅度上升。在美国，发 布了各种各样的建造新反 应堆的意向公告,27台机组提出许可证申请，8台提出联邦贷款保证申请， 还有几个厂址在做前期准 备。然而直到2010年年中，美国尚未 颁发新建工程建造许可证。世界其它地区，特 别是中国和印度，新机 组建造已在加
3、速。此外，韩国通过与阿拉伯联合酋长国签署建造四座反应 堆协议，成 为了全球传统核电供应商的一员。核燃料循环也有重大进展。在美国，燃料循 环政策仍处于混乱状态。布什政府发起了各种规划，目标是商业回收再循环乏核燃料（SNF ）中的易裂变材料制造新燃料组件,但没有得到国会的支持。美国能源部（DOE）花费多年 评价并提出许可证申请，要在尤卡山（YM）建造乏燃料和高放废物地质处置场。但是现在奥巴马政府 请求撤回许可证申请。在海外，日本开始运行商业核燃料后处理厂。芬兰和瑞典获得公众赞同， 选定了处置乏燃料的地质处置场厂址。因为境况的重大变化，我们承担的核燃料循环的未来研究更明确集中于对扩大美国核电规划可采
4、用的关键技术选择和这些选择的近期政策涵义。我们感谢美国电力研究所（EPRI）以及爱达荷国家实验室、阿海法、通用电气-日立、西屋、能源方案和核保险公司慷慨的资金支持。执行总结研究背景2003年MIT发表了多学科研究 报告核电的未来。其根本动机在于核电是目前提供美国约70%“零”碳的电力，是低碳世界的重要市 场选项。 那个报告发表以来，美国和全世界发生的重大变化见我们2009年发表的报告对2003年的更新。对气候变 化的担心在上升：许多国家对排入大气的温室气体采取了各种限制,而且美国也期待采取类似的限制。全世界核电增长预测值急剧上升，并且新 电厂的建设已在加速，特别是在中国和印度。由于核电作为低碳
5、 选项的持续重要性- 可上规模地展开部署，实质上缓解气候变化的风险，即到本世 纪中叶全球部署规 模可达到1000GWe ，因此进行了本核燃料循环的未来研究。为使核电得以扩大，必须克服核 电在成本、 废物处置以及核 扩散问题等方面的严峻挑战，同时保持当前卓越的安全和可靠性记录。在相对短期内，有可能就具有 长期深远意义的核燃料循环演进做出决定使用什么类型的燃料，什么型式的反应堆，辐照的燃料 发生了什么变化，有什么方法长期处置核废物。本研究的目的就是通告这 些方面的决策。几十年来，关于未来核燃料循环的讨论一直集中在期望最 终部署以钚启动快堆为基础的闭路燃料循环。然而，这个期望深植于一个 过时的理解铀
6、的稀缺性。我们重新检查燃料循环表明，还有很多更有效的燃料循环选项，而且其 优化选择面临很大不确定性 某些是经济上的，如 选择先进堆；某些是技术上的，如对废物管理的影响；而某些是社会的，如核电 部署的规模和核扩散风险管理。假定对工艺技术替代选择进行了必要的研究而且全球共同应对气候变化风险 ，今后几十年内这种不确定性会被大大澄清。我们研究的关键启示在于，通过继续开式燃料循环、 实 施轻水堆乏燃料储存托管制度、开 发一地质处置场、以及研究适用于各种不同核能未来的技术备选 方案，我 们能够而且应当保留我们燃料循环选择的选项。研究结果和建议经济作为未来重要的能源选项，核 电的生存力关键取决于它的 经济性
7、。 虽然核电厂运营成本低，但核电厂本身的资本成本高。由于担心建设新核电厂存在财务风险 ，目前更高的融 资建造成本放大了核电厂的资本成本。对于美国新的基荷 电力，核电厂的平准电价很可能高于新燃煤机 组（没有二氧化碳捕俘与扣押）或新天然气机组。消除融资风险溢价可使核电平准电价 优于煤电，而征收适度的二氧化碳排放税还会使核电低于煤电。与天然气相比，以 过去十年大部分时间的天然气燃料价格特点看，这也同样是正确的。根据这种分析，在2003年我们就建议对第一批新建核电 机组提供财政激励。美国自2005年就已开始先行者激励，但执行起来非常 缓慢。建议应当加速实施先行者激励程序，以示范在美国目前条件下建 设新
8、核电厂的成本，并以良好的 业绩表现消除筹资风险溢价，。该激励程序不 应扩大到先行者（最初7-10台机组）之外，因 为我们相信核能应当像其它能源选项一样，可以在开放市场上竞争。燃料循环至少本世纪大部分时间，不缺少 铀资源，不会 约束将来建造新的核 电厂。某些国家正用混合氧化物燃料在轻水堆内做有限再循环，但其扩大资源和废物管理的利益极小。有科学合理的方法管理乏核燃料。建议今后几十年内，使用轻水堆（LWR）的一次通过燃料循环是美国首 选的经济选项，而且很可能是本世纪大部分时间美国和其它地方核能系统的显著特征。改进轻 水堆设计提高燃料资源利用效率、降低未来反应堆电厂的成本，应当成为 首要的研究与开放的
9、焦点。乏核燃料管理以相对小的成本长期托管储存，保留未来乏燃料利用的各种 选项。保持各种 选项很重要，因为今后重大不确定性（美国核电部署的轨迹、新反应堆和燃料循环 工艺技术的有效性和成本）的澄清解决将会确定轻水堆乏核燃料或者注定是直接地质处置的废物，或者是未来闭路燃料循环的有效燃料资源。燃料循环政策辩论中，低估了保留未来燃料循 环选择各种 选项的价值。 可以在运行反应堆现场、集中储存设施或可回取性设计的地质处置场（集中储存的备选方式）安全地完成托管 储存。建议乏核燃料长期托管储存规划约100年应当成为核燃料循环设计的重要构成部分。尽管相信在此期间托管储存是安全的，研 发计划仍应致力于证实并 扩大
10、安全储存和运输周期。百年储存的可能性比预期的核反应堆运行寿期还长，暗示美国应当转向集中乏核燃料储存场从退役反应堆现场运出乏燃料开始，并支持一个长期的乏燃料管理战略。这样做的额外的好处是解除联邦政府未能自1998年开始从反应堆现场转移乏燃料的责任。废物管理至少乏核燃料的某些长寿命组分要求永久性地质隔离，因而需要着手系统地开发一处地质处置场。2003年MIT报告的结论即长期地 质隔离的科学基础仍然是正当合理的。在美国，乏核燃料和长寿命废 物地质处置场选址仍然是个重大挑 战。美国和欧洲 规划的失败和成功暗示，核废物管理组织应有以下特征：(1)与州和当地政府合作的 权威选址机构，(2)核废物处置基金管
11、理的权威机构，(3) 与核电厂业主商议谈判乏燃料和废物搬迁的权 威机构，(4)对影响放射性废物流特性的燃料循环方案之选择，与政策制定者和监管机构磋商，(5)管理的长期连续性。到目前为止，美国的 规划还没有这些明确的特征。成功 废物管理规划的一个关键要素是基于科学的决策的一惯性。建议我们建议设立新的、半官方的 废物管理机构执行国家废物管理 规划。闭路燃料循环设计一直关注什么返回反应堆，但未关注如何管理废物。建议我们建议(1)把废物管理与燃料循环设计整合在一起，而且(2)在废物管理中设立一个支持性的研发计划，使燃料循环与废物管理决策充分耦合。一个重要的发现是美国的许多放射性废物按来源而不按危害分类
12、。这已造成废物处置路径的缺陷，而且这个问题还将因其他备选燃料循环而加剧。建议我们建议采用综合风险预知的废物管理系统，所有 废物按成分分 类并按风险设定处置路径。未来核燃料循环核燃料循环（开环、闭环或通过 有限乏燃料再循环的部份闭环 ）之选择取决于(1)我们开发的工艺技术，(2)社会目标权衡（安全、 经济、 废物管理以及防核扩散）。一旦做出选择，它 们将对核电发展有巨大而非常长期的影响。目前我们还没有足够的知识做出最佳循环 和相关工艺技术的明智选择。，通过对2100年核电持续增长方案的备选燃料循环的分析，我们得出几个在燃料循环选择方面至关重要的结论： 转变燃料循 环需要50-100 年； 本世纪
13、内超 铀元素库存或铀 需求总量差别很小； 对于核电增 长方案，标准钚启动闭路燃料循环，本世纪仍需许多轻水堆。一个重要发现是，能充分利用 铀和钍资源的可持续闭路燃料循 环并不需要转化比（生产的易裂变材料除以初始堆芯内的易裂变材料）极高的反应堆。转换比 1是可接受的，而且开辟了如下 备选燃料循环途径： 完全不同的反应堆选择，如硬谱轻水堆而不是传统的快堆闭路燃料循环，这有重要的政策涵义，而且有可能低成本。 用低浓铀启 动快堆而不是高 浓铀或钚，从而消除闭路燃料循环启动需要的轻水堆乏燃料后处理。在今后为部署需要而做出任何放弃开式燃料循环的选择之前，我们依然有充分的时间。然而，有许多可行的工艺技术选择需
14、要加以检查，而且在核电业务方面确定新的商业选项所需时间很长。因此，现在就要大力实施必要的研发，使 备选燃料循环在本世纪中叶成为可能的选项。建议今后几年要全力以赴地着手创新反应堆和燃料循环的综合系统研究和实验，以确定可行的技术选项，设定何时需要做出决定的时间安排，并挑选一套短名单选项 作为前进的依据。防核扩散核扩散的核心是个制度性挑战。民用核 电燃料循环是通往核武器材料的几条路径之一。浓缩设施和/或后处理能力有核扩散问题，而且不是小堆规划的经济选择 。不 过，对于着手核能发电的国家，有保证的燃料供应很重要。废物管理将会成为许多国家的重大挑 战。建议对有小型核规划的国家，美国和其它核供 应集团国应
15、当积 极追求燃料租赁选项， 为放弃浓缩提供财政刺激，对先进堆进行技术合作，乏燃料退还燃料供应商国内 进行乏燃料管理，以及固定期限并可更新的燃料租赁承诺（或许10年）。研发与验证任何重要的新型核技术的研究、开 发、 验证、颁发许可以及上规模的部署都需要几十年时间。如果美国有良好的燃料循环选项，想适 时做出聪明的战略燃料循 环选择， 则必须执行一个坚实的、与核电实质性增长可能性保持一致的研发验证规划。DOE的2010年路线图 是对前政府机构计划的重大改进。研发验证优先顺序建议 提高轻水堆的 绩效，开发先进的核燃料。 比过去几十年来所追求的更多得多的乏燃料储存和核废 物处置选项。 建模与仿真能力，用
16、于技术选项开发以及用于选项间理解折衷进行。 创新核能的 应用和概念，包括工业应用工艺供热和开发模块式反应堆。 重建支持性研发基础设施，如材料实验装置和其它关键设施，使创新燃料循环和反应堆研发成为可能。我们估计，支持性研发和基础设 施项目的拨款约为每年10 亿美元。在适当 时机大规模政府- 工业验证工程还需要额外提供资金。（杜铭海等译自：Massachusetts Institute of Technology, The Future of the Nuclear Fuel Cycle：an Interdisciplinary Study，SUMMARY REPOR（2010），Forward and Acknowledgments ，Executive Summary。原文下 载地址: http:/web.mit.edu/mitei/news/spotlights/nuclear-cycle.html）
