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英國國家核實驗室（NNL）于2021年6月24日發布了《核燃料凈零排放：通往清潔能源未來的先進核燃料循環路線圖》報告，指出英國要實現清潔能源的雄心，必須研發先進核燃料和燃料循環技術。這份路線圖將幫助英國決策者和業界人士更好地開展核工業未來發展的規劃工作，以實現2050年凈零排放目標。該報告主要分為三部分：①英國核燃料循環和先進核燃料循環計劃（AFCP）概述；②制定先進核燃料循環路線圖的方法；③先進核燃料循環研究、開發與示范路線圖。本文主要介紹第一和第三部分的內容。

1 英國的核燃料循環

英國立下了世界領先的溫室氣體凈零排放承諾，并成為第一個履行該承諾的主要經濟體。英國政府于2020年發布的“十點計劃”和《能源白皮書》確立了核能在英國2050年及以后實現凈零能源系統目標中的作用。核燃料循環對于核技術在未來能源系統脫碳方面的作用至關重要。在過去五年中，通過政府投資，英國已經開始按照英國核創新研究與咨詢委員會（NIRAB）的建議重建整個核燃料循環的能力。然而，核能是一項長期事業，需要對核燃料循環研發與示范進行持續性的戰略投入，才能讓英國實現未來核能部署的雄心。

英國的核燃料循環如圖1所示。圖中綠色部分與AFCP中涉及的領域相吻合，剩下的藍色部分包括：英國核退役管理局（NDA）負責的乏燃料管理和钚處置、Urenco公司負責的燃料濃縮、西屋公司負責的氧化鈾燃料供應以及電力公司（例如法國電力公司）負責的反應堆運行。

未來的燃料循環部署方案可能包括：①在開式或單循環中應用新的先進核燃料和相關的乏燃料管理；②快堆技術及其相關的核燃料循環；③熔鹽堆技術，包括在線后處理；④朝部分或完全實施先進核燃料循環發展，包括選擇分離與嬗變（P&T）；⑤逐漸完成反應堆系統和核燃料循環的過渡。

2 英國先進核燃料循環計劃

2016年，NIRAB建議政府投資建設未來核燃料循環能力，以確保能夠實現英國核工業戰略（NIS）中設定的遠大目標。隨后，公共投資對未來核燃料循環研發進行了投資。事實上，英國商業能源與產業戰略部（BEIS）5.05億英鎊的能源創新方案在2016年至2021年間對核創新方面進行了投資。

圖2是未來可能的核燃料循環示意圖，其中部署了不同的反應堆系統以發揮各種作用，因此需要相應核燃料循環能力的支持。另外，與AFCP相關的領域也在圖中進行了標記。

在AFCP中，下一代核燃料的工作著眼于提高當前輕水堆先進技術燃料（ATF）的經濟性能，同時還要為先進堆研發創新型包覆顆粒燃料（CPF）和快堆燃料（FRF）。AFCP使英國能夠重新參與未來核燃料技術的開發，同時開發正確的工具和資源來保障未來的選擇。

AFCP還認識到需要可持續的核燃料循環來支持英國的清潔能源和環境目標。AFCP的核心是再循環技術，通過不斷發展世界領先的科學和技術來重復利用寶貴的資源。

AFCP正在確定其領域內近期和遠期的潛在經濟利益：該計劃幫助英國的機構進入未來市場，增強出口潛力，創造綠色就業機會和針對性解決方案，降低整個核燃料循環的成本，并最終降低清潔能源的生產成本。

通過對核燃料循環能力的投資，AFCP提高了英國的國際影響力。該計劃其中一環是發展重要的國際伙伴關系，有效利用雙邊和多邊計劃的協同作用，如美國和英國研發合作行動計劃、第四代核能系統國際論壇（GIF）、歐洲地平線2020計劃和經合組織核能機構（OECD/NEA）等。2020年9月，AFCP助力英國啟動首個國際原子能機構（IAEA）先進核燃料循環合作中心。

3 先進核燃料循環研發與示范路線圖

AFCP路線圖圍繞四個主題來構建：①趨勢、驅動因素和市場；②機會領域；③技術和能力；④促成因素。表1是包含上述主題的英國先進核燃料及核燃料循環路線圖概況。

表2列出了英國先進核燃料及核燃料循環的關鍵機會領域，這些機會領域構成了路線圖的基礎，包括：①先進核燃料路線圖中的先進技術燃料（ATF）、包覆顆粒燃料（CPF）和快堆燃料和燃料循環；②可持續先進燃料循環路線圖中用以生產未來燃料的輕水堆（LWR）燃料先進再循環技術、ATF先進再循環技術和高溫化學（熔鹽）再循環技術。

下面詳細介紹英國的先進核燃料及核燃料循環路線圖。

3.1 先進核燃料路線圖

（1）先進技術燃料（ATF）

當前創新的重點是為LWR核電站提供性能良好且兼具經濟性的核燃料。圖3是英國ATF技術路線圖，它側重于AFCP下面的三個技術領域：短期內，帶涂層的鋯合金包殼；長期“變革性”選擇包括高密度燃料（例如氮化鈾）和先進包殼（例如碳化硅復合材料）。路線圖的重點包括：

①未來10～15年內，為可能不斷增長的英國和國際LWR市場提供英國本土制造的商業化涂層包殼和下一代ATF。

②未來3～5年的重點是燃料鑒定，包括輻照試驗、堆外試驗和乏燃料管理評估。

③通過路線圖確定的途徑交付這些ATF產品將有助于確保英國本土燃料制造能力，同時打開具有潛在巨大利潤的通道。

④已在路線圖中明確了促成因素，包括國際合作、輻照和輻照后檢驗（PIE）設施的使用權以及新燃料認證的核數據要求。

（2）包覆顆粒燃料（CPF）

英國正在通過AFCP來重建CPF的制造能力。CPF通常又被稱為三層各向同性碳包覆（TRISO）顆粒燃料，由裂變材料（通常是二氧化鈾）“燃料芯核”和四層包覆層構成。在NNL卓越燃料中心（NFCE）框架下，位于斯普林菲爾德場址的普雷斯頓實驗室即將進行“燃料芯核”生產設備的安裝和調試。在英國亨利?羅伊斯爵士先進材料研究所的框架下，曼徹斯特大學正在進行新的流化床化學氣相沉積涂層機的安裝和調試。

圖4是CPF技術研發與示范路線圖，主要側重于開發“燃料芯核”技術、涂層技術和封裝技術（即形成燃料顆粒或壓塊）。路線圖的重點包括：

①在本世紀30年代初期以前，為示范堆提供近期燃料供應，之后將長期進行商業規模的燃料制造和供應。

②這些情景旨在實現能源白皮書中所述的目標，即到本世紀30年代初在英國建造先進模塊堆（AMR）的示范堆，以及預計英國和國際高溫堆（HTR）市場將興起。

③近期的重點是開發原型燃料、涂層和封裝技術，以實現示范堆燃料的認證資格和許可。

④近期重點工作包括燃料性能和反應堆物理建模、輻照試驗、正常和事故條件下的堆外試驗以及乏燃料管理評估。

⑤確定了促成因素，包括確保高豐度低濃縮鈾（HALEU）的供應、國際合作、輻照和PIE設施的使用權以及新燃料認證的核數據要求。

（3）快堆燃料和燃料循環

快堆技術是開發可持續燃料循環的寶貴工具，可根據快堆不同應用提供多種燃料選擇。英國在快堆技術的開發和運行以及配套燃料與燃料循環方面有著卓越的歷史。直到1990年代中期，英國還在蘇格蘭敦雷場址運行鈉冷原型快堆，并為其提供燃料。英國正在通過AFCP重振其在該領域的專業地位。塞拉菲爾德的NNL中央實驗室正在研究和優化快堆燃料芯塊的制造，目標是實現20多年來首次使用新的、非常靈活的燃料生產線制造英國快堆專用MOX燃料。此外，以歐洲合作研發計劃為基礎，例如GENIORS項目，探討快堆燃料循環技術。

圖5是快堆燃料和燃料循環研發與示范路線圖，涵蓋了帶鋼包殼的鈾基燃料、基于钚和次錒系元素（MA）的燃料與包殼以及燃料循環技術。路線圖的重點包括：

①具有下一代鋼包殼的先進鈾基燃料，旨在實現能源白皮書中所述的到本世紀30年代初在英國建造AMR示范堆的目標。雖然HTR是當前假定的基線技術，但并不排除將重點放在具有經濟性和可能通往先進燃料循環的快堆技術上的決定。

②開展快堆钚和MA燃料的更廣泛工作，旨在實現英國和國際快堆燃料市場更長期的預期增長。

③近期的重點是為示范堆開發原型燃料，并進行燃料鑒定和許可。這包括燃料性能和反應堆物理建模、輻照試驗和堆外試驗以及乏燃料管理評估。

④钚和MA燃料制造的發展離不開基礎設施和燃料再循環技術的發展。

⑤路線圖中確定了促成因素，包括使用高活性（HA）電池進行乏燃料管理試驗、國際合作、使用輻照和PIE設施，以及與英國核退役局（NDA）合作開發共同的研發基礎設施。

3.2 可持續先進燃料循環路線圖

（1）LWR燃料先進再循環技術

AFCP正在探索新的燃料再循環技術，與當前的再循環技術相比，這些技術為降低燃料循環成本和環境影響以及提高安全性和防擴散性提供了大量機會。AFCP正在開發一種先進的PUREX流程，旨在對當前英國、法國、俄羅斯和其他地方工業規模使用的PUREX流程進行改進。改進后的PUREX流程將使用更小的單循環流程以及更創新的概念，可簡化操作、增加防擴散屏障和靈活性。同時，先進PUREX流程的開發還將關注：最小化二次廢物產生的放射性；分離次錒系元素以減輕高放廢物處理和處置的負擔；開發創新技術來管理高放和中放廢液副產物以及捕獲廢氣，包括用于長期貯存的新材料。

圖6是先進LWR燃料再循環技術路線圖，主要側重于核心再循環流程、流程所用技術和關鍵廢物管理技術。其中關鍵的技術開發包括：前端操作，包括氧化鈾和MOX燃料的剪切、燃料溶解和調節；開發從裂變產物中分離鈾和钚（可能含有镎）的強化流程；開發從高放廢液中回收微量錒系元素的簡單流程；混合產品共轉化為燃料前體時具有可接受的燃料制造特性；開發最優化的二次廢物管理戰略；開發創新型在線分析工具用于流程監控、控制和安保。路線圖的重點包括：

①隨著英國核計劃的擴張（包括大型GWe級LWR和SMR）導致其未來10～15年內將對可靠燃料再循環技術的產生需求。

②技術開發的重點是在中短期內實現TRL6。

③路線圖確定了促成因素，包括示范基礎設施建設、國際合作和開發先進的建模和模擬工具。

（2）ATF先進再循環技術

變革性ATF概念的先進再循環研發和示范路線圖將在很大程度上取決于未來可能推進的燃料概念，但與用以生產未來燃料的LWR燃料先進再循環路線圖（圖6）有很大程度的重疊。圖7是ATF先進再循環研發和示范路線圖，其側重于更高層次的關鍵步驟和方法，如解決ATF再循環ATF先進再循環研發和示范路線圖概念所需的額外研發工作。ATF再循環概念預計將主要影響核燃料循環前端的燃料制備步驟。路線圖的重點包括：

①驅動因素包括ATF產品的開發和認證、英國可能擴大核計劃以及潛在部署使用先進核燃料的AMR。

②應用計劃側重于在未來10～15年內為燃料再循環提供可靠的技術選擇，支持并促成關于英國未來核燃料后處理和再循環要求的決定。

③假設LWR氧化物燃料先進再循環路線圖（圖6）中所列正在開發的技術，是作為ATF先進再循環路線圖中的一部分，那么前者將為后者提供大部分通用再循環技術。另外，還要額外關注一些技術的開發，例如推進氮化鈾ATF概念的話就需要開發氮-15的回收技術。

④促成因素包括模擬燃料的制造能力、參與國際合作和熱示范基礎設施的使用。

（3）高溫化學（熔鹽）再循環技術

高溫化學再循環技術主要是基于燃料的電解，與溶液再循環技術互為補充。AFCP將重點放在鹽化學和工程上，以重建英國在該領域的專業知識，并更好地了解其科學和工程上的挑戰。除了堆芯金屬電解精煉工藝外，AFCP還關注通過電解還原將高溫處理擴展到氧化物燃料，以及熔鹽堆（MSR）技術的一些跨領域挑戰。廢氣捕獲以及鹽的處理和固化也是關鍵環節。

圖8是高溫化學（熔鹽）再循環技術研發和示范路線圖，側重于開發高燃耗燃料的先進再循環流程。該路線圖中建立的能力不僅支持燃料加工，而且支持反應堆或其他熔鹽應用，例如氚生產或能量存儲。路線圖的重點包括：

①英國核計劃的擴大將驅動英國在未來10～15年內需要擁有可靠的燃料再循環技術。

②在技術領域，電解還原和電解精煉將專注于實現技術成熟。電解還原是在前端中將燃料制備成適合電解精煉的狀態。電解精煉將可回收元素選擇性地與廢物進行分離。將次錒系元素與鈾和钚一起分離出去，這樣可以減輕高放廢物處理的負擔。

③廢物管理開發包括開發再循環過程中的除鹽技術（這也是MSR的要求）和將廢物處理成合適的廢物形式。

④路線圖中確定的關鍵推動因素包括建立技能通道（國家實驗室、工業界和學術屆）、知識獲取、國際參與以及為熱示范開發支撐基礎設施。