美國能源部先進能源研究項目局(ARPA-E)“定位”獨特，專事資助先進能源技術研究。從2007年創立以來，圍繞先進核能技術研發推出多個規劃。最近引人關注的是“優化核廢料與先進堆處置系統”規劃，包括給新墨西哥州立大學提供資助，編制乏(核)燃料(又稱“用過的”燃料)再循環計劃。

1. 引子：新墨西哥州立大學利用DOE撥款參與合作

據最近報道，美國新墨西哥州立大學(NMSU)正在與泰拉能源公司、愛達荷國家實驗室(INL)和薩凡納河國家實驗室(SRNL)合作，執行為期三年的科研項目，以制定乏核燃料再循環計劃[1,2]。這個項目利用能源部(DOE)先進能源研究項目局(ARPA-E)的850萬美元資助，隸屬于“優化核廢料和先進堆處置系統”(ONWARDS)規劃。項目的目的是把核電機組運行卸出的乏核燃料，作為可靠、清潔的能源，增加核能利用，并限制先進堆產生的廢物數量。這種方法的要點在于：既可防止燃料用于武器裝備，又有助于滿足可持續電力需求。

新墨西哥州立大學教授科里·溫多夫(Cory Windorff，左)和保羅·安德森(Paul Andersen，右)。

NMSU化學與材料工程副教授保羅·安德森說，“核能有很多優點，但缺點之一是產生放射性廢料。”“源自核電站的大部分乏核燃料仍然含有大量能源，由于積累了裂變產生的放射性物質而不能利用。因此，我們提出一個核廢料再循環、再利用工藝流程，以獲得更多能源，也能更容易處置剩余的核廢物。”

化學反應器：這個再循環項目建立在兩位新墨西哥州大學教授，即化學與材料工程副教授安德森和化學與生物化學助理教授科里·溫多夫研究的基礎上。目前他們正在計劃設計一個“化學反應器”，用來“純化”先進堆燃料循環的乏燃料，從而減少核廢料的積累，同時使廢料可重復利用。

溫多夫說，“如果能使現有的、新產生的乏核燃料‘再循環’，那么就不必開采更多鈾礦了，這是好事。”“本來這種核廢物，是要發送到WIPP(The Waste Isolation Pilot Plant)那種地方去的。”

WIPP即美國“廢物隔離中試設施”，是當前美國唯一的長壽命放射性廢物深地處置庫。它就位于新墨西哥州卡爾斯巴德(Carlsbad)東南26英里處，地下2150英尺古老鹽層中，用于永久隔離早年軍事防御產生的超鈾元素廢物。NMSU運營卡爾斯巴德環境監測與研究中心，負責進行獨立監測，以評估WIPP對人類健康和環境的影響。NMSU參與此項目，這可能是原因之一。

在核廢物管理方面，處置有嚴格的定義，即不得再次“移動”。但后來技術發展變得即使經“處置”后的核廢物包，如果需要，也可“回取”，另行“處置”。

商用化：有ARPA-E的資助，安德森和溫多夫打算聘用兩名博士后研究人員，與泰拉能源、INL和SRNL的研究人員合作，進行他們的化學“反應器”概念的深入技術開發。據安德森說，“在這個為期三年的項目之后，可能會有幾輪融資。這是第一步，希望經多步后能最終實現產品或工藝的商用化。”

未來三年的大部分工作將涉及準備性研究，更好地理解擬議的再循環工藝。溫多夫說，“在擴大規模之前，需要了解這個工藝如何運作。”“一旦理解了，這個工藝很容易商用化。”

安德森認為，由于新墨西哥州在核能領域的歷史作用，“NMSU大力參與下一代核燃料循環很有意義”。核燃料循環指開采、凈化和濃縮鈾，使之成為用于反應堆發電的燃料，以及放射性廢物處理和處置。安德森澄清說，NMSU并沒有參與核反應堆設計(新墨西哥大學正在努力)，只是改進乏核燃料的“前-后端產生的各種物質”的工藝過程。安德森和溫多夫正在研究這個工藝過程的化學和化學工程方面，不一定是核方面。

NMSU與泰拉能源公司的合作關系也為學生參與國家實驗室研究項目提供了可能性。溫多夫說，“這種合作使我們的聯系變得多樣化了。有學生，就可派到他們那里去。” 安德森解釋說，“泰拉能源和INL對NMSU的學生去那里工作非常感興趣。”這會擴大大學參與全國的研究。

2. DOE為先進堆燃料循環管理研發提供資金[3]

ARPA-E已為11個項目提供了總計3600萬美元，用于開發技術，限制先進堆產生核廢物的數量，并支持國內核燃料庫存的可持續性。這些項目包括對各種先進堆燃料循環產生的乏燃料進行后處理、再循環，以及處置所需的設施和系統的研究。

ARPA-E的首次嘗試：去年推出的“優化核廢料與先進堆處置系統”(Optimizing Nuclear Waste and Advanced Reactor Disposal Systems，ONWARDS)，是ARPA-E推進先進堆乏燃料管理的首次嘗試。致力進行開環(一次通過)與閉環(后處理)燃料循環管理，目的首先針對輕水堆，并減少先進堆產生的核廢物數量。這項基金于2021年5月發布。

ONWARDS各團隊將在三個關鍵領域開展研發：

■工藝：乏燃料再循環改進，顯著減少廢物量，提高內在的防擴散能力，提高資源利用率，促進先進堆商用化。

■核保障措施：改進傳感器和數據融合技術，準確、及時地進行核材料衡算。

■廢物形式：為所有類型的先進堆開發高性能的核廢物形式，重點是跨越多個反應堆類型和處置環境，而且是在所需時間尺度上安全和穩定的廢物形式。

資助項目：

獲資助者及其研究領域如下：

▲楊百翰大學(猶他州，Provo)：減少分離過程的風險和不確定性，減少乏燃料的廢物量。(獎勵金額：90萬美元)

▲黃水晶信息公司(加州，Redwood City)：使用人工智能和基于物理模擬的方法，開發持久的廢物形式，以顯著減少熔鹽堆(MSR)的處置庫負擔。(獎勵金額：300萬美元)

▲深隔離公司(加州，Berkeley)：建立通用的性能標準和罐式系統，以最大限度地減少乏燃料和廢物管理的長期成本。(獎勵金額：360萬美元)

▲通用電氣全球研究公司(紐約州，Niskayuna)：研發能在后處理核設施中運行的核保障衡算系統。(獎勵金額：450萬美元)

▲INL(愛達荷州，Idaho Falls)：正在開發基于現有商用熱分離技術的金屬燃料再循環工藝，可增加金屬燃料再循環的商業可行性。(獎勵金額：200萬元)

▲奧克勞公司(加州，Sunnyvale)：研究乏燃料再循環設施的先進性和經濟可行性。(獎勵金額：400萬元)

▲奧拉諾聯邦服務公司(北卡羅來納州，Charlotte)：開發一種處理系統，旨在處理不同類型先進堆乏燃料處理設施釋放的廢氣。(獎勵金額：200萬美元)

▲羅格斯大學(新澤西州，New Brunswick)：提供一種可擴展的方法，將乏核燃料變成高密度、耐用的金屬陶瓷(耐熱陶瓷和金屬復合材料)。(獎勵金額：400萬元)

▲倫斯勒理工學院(紐約州，Troy)：專注提供有效管理復雜氟鹽廢物流的解決方案，促進先進堆燃料循環的可持續發展。(獎勵金額：607500美元)

▲石溪大學(紐約州，Stony Brook)：提高燃料利用率，減少鈾裝載量，顯著降低先進堆的廢物負擔。(獎勵金額：340萬美元)

▲泰拉能源公司(華盛頓州，Bellevue)：基于氯化物鹽在高溫下揮發的綜合安全核保障，提出從乏燃料中回收鈾的方法。(獎勵金額：860萬美元)

清潔能源：美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆(Jennifer Granholm)說：“開發安全管理核廢料的新方法，將使我們能用無碳核能為美國更多的家庭和企業提供動力。”“ARPA-E正在通過支持那些正在研究下一代技術的公司和大學，使先進堆現代化，并加強國家的清潔能源企業實力。”

3. 改造核工業的三個早期研發規劃[4]

核能正在改變面貌，可在支持世界向清潔能源過渡方面發揮巨大作用。

先進堆概念加強了多功能性，能更便宜地建造和運行。

幾十家美國公司正在研究第四代反應堆設計，規模很快會各不相同。這些反應堆增強了多功能性，并能更便宜地建造和運行。其中某些甚至有助于減少必須永久處置的乏燃料的數量。

但為了實現這種潛質，反應堆研發人員需要在失去關鍵基礎設施和供應鏈之前，幫助降低這些清潔能源技術的風險。

ARPA-E專注支持還處于早期階段的新能源技術，使之有可能從根本上改變美國人獲取、使用和儲存能源的方式。

以下三個ARPA-E規劃，有助于使先進核技術成為現實。

Ⅰ. 通過MEITNER降低先進堆的基建成本[5]

核工業面臨的最大挑戰之一，是按時和按預算建設新的核電廠。ARPA-E的MEITNER(Modeling-Enhanced Innovations Trailblazing Nuclear Energy Reinvigoration)規劃確定和研發新技術，幫助降低建造先進堆系統的成本。

選定了十個項目，開發新的“賦能”技術。這些創新包括通過新的模塊化或先進制造技術降低基建成本;通過機器人、自動控制和先進傳感器降低運營費用。

所有這些項目都可幫助美國國內核供應鏈實現現代化，并使新的核電裝置在財政上更具建設和運營的吸引力。

相關項目先后有變化。包括源自加拿大陸地能源公司(Terrestrial Energy)的一體化熔鹽堆(IMSR)用磁懸浮屏蔽轉子泵，以及源自英國Moltex能源公司的穩定鹽反應堆廢物燃燒器(SSR-W)復合結構技術[6,7]。

Ⅱ.通過GEMINA降低先進堆的運行/維修成本[8]

盡管核工業提供了美國一半以上的清潔能源，但是美國核反應堆群近1/4正在經歷財政困難。

大約80%的反應堆發電總成本歸因于運行和維護(O&M)費用。ARPA-E的GEMINA(Generating Electricity Managed by Intelligent Nuclear Assets)規劃有希望大幅度削減先進堆發電裝置的固定運維成本，把它降低到目前的1/10。

目前有9個項目正在開發“數字孿生”或類似的技術，用于先進堆設計。各個團隊正在利用人工智能、先進控制系統、預防性維護和其他前沿突破，幫助優化先進核電裝置設計的運維規程。

總體目標是把先進堆群的運維成本固定在接近$2/MWh的水平，最終使先進核電裝置更經濟、靈活、高效。

相關項目包括源自英國Moltex能源公司，將為其穩定鹽反應堆-廢物燃燒器(SSR-W)開發一個多物理裝置數字孿生環境[9]。

Ⅲ. 通過ONWARDS減少先進堆乏核燃料的數量

最后，ARPA-E的“向前推進”計劃旨在開發突破性技術，幫助促進將永久處置所需的乏燃料體積減少到1/10。

11個項目團隊的重點是改進燃料再循環、核材料衡算的核保障措施，開發跨多個反應堆類別的高性能廢物形式。

ONWARDS規劃將先進堆廢物形態的后端總體處置成本控制在$1/MWh范圍內。

ARPA-E最近啟動了一個單獨的規劃即CURIE，專注于改進現有反應堆后處理乏核燃料方法。這些努力不僅可以減少需要處置的乏燃料的數量，還可為新型快堆設計提供穩固的國內原料供應。

預計項目團隊將于2022年10月選定。

Ⅳ. 跨部門的方法

ARPA-E只是美國能源部支持開發和部署先進堆技術的幾個“辦公室”之一。

核能辦公室(NE)致力于通過若干舉措實現先進堆部署，其中包括先進堆示范規劃，旨在未來15年內實現各種先進堆設計的成熟和示范。

NE為研究、開發和示范項目提供資金，以降低先進核技術的風險和成本，提高核能在應對國家經濟、能源安全和環境挑戰方面的貢獻。

4. CURIE：把“乏核燃料”中的錒系元素轉化為能源[10]

在ARPA-E規劃系列內，CURIE規劃(Converting UNF Radioisotopes Into Energy)，公布日期是2022年3月15日，現已生效;項目數有待確定。

規劃說明

美國已經從運行的輕水堆(LWR)中積累了約8.6萬噸用過的核燃料(UNF)，即乏燃料，這個數值每年還要增加2000噸。盡管90%以上的能源仍然存在UNF內，但注定要做永久性處置。對UNF進行后處理，回收可重復使用的錒系元素，并將其作為先進堆的新燃料再循環，將提高核燃料的利用率，并大大減少需要永久處置的廢物量。CURIE規劃尋求開發創新的分離技術、材料衡算和在線監測技術，以及后處理設施設計，將使先進堆原料的錒系元素族群得以回收，納入現場工藝過程監測，使廢物量最小化，使先進堆的燃料成本只有1¢/kWh，處置成本保持在0.1¢/kWh范圍內。

創新需求

能安全、經濟地對美國輕水堆的乏核燃料進行后處理的創新技術，可大大減少需要永久處置廢物的體積、熱負荷和放射性毒性，同時為先進快堆提供有價值和可持續的燃料原料。確定最有可能使核燃料進行安全、經濟的后處理，以達到這些目標的技術類別包括：

▲后處理技術：改進用于化學分離的乏燃料組件的準備工作;氣體工藝流處理;分離技術，如水分離、高溫處理和氟化物揮發，可顯著減少廢物量，提高內在的防擴散能力，并提供先進堆原料;

▲綜合監測與核材料衡算：改進傳感器和數據融合技術，使核材料的衡算準確、及時;

▲設施設計和系統分析：對新穎的設計、建造和運行后處理設施的方法，進行技術經濟和系統分析(例如，模塊化、設計固有的核保障、工藝強化)，以提高核保障能力、降低成本，并促進后處理設施的選址和“取證”。

潛在影響

CURIE規劃，通過牢固可靠、經濟的再循環，利用國家輕水堆的乏燃料庫存，改善美國的能源安全，有助于保護環境，并在以下方面為經濟做出貢獻：

安全：通過提供安全和可持續的國內燃料庫存，支持先進堆技術的部署。監測能力的改進可使各種后處理階段得到更精確的控制，同時確保關注的核材料更安全。

環境：大幅度減少國家輕水堆乏燃料庫存處置的影響，減少鈾礦開采需求，支持安全、可靠地儲存放射性廢物的綜合性國家戰略。

經濟：補充ARPA-E現有的核能研究規劃組合，如先進堆研發中的MEITNER、GEMINA和ONWARDS規劃，進一步確保創新的新型先進堆的商用可行性，通過乏燃料回收有價值的放射性核素用于不同的應用，提供額外的稅收來源。

5. 先進堆的特征與發展概況[11]

美國能源部核能辦公室(NE)及其國家實驗室支持廣泛的新型先進堆技術的研究和開發，幫助滿足國家的能源、環境和國家的核保障需求。

先進堆的特征：

Ⅰ.輕易贏得安全——發生事故時，不需要或只需極少的操縱員干預，就能保證安全。

Ⅱ.用途廣泛——可為工藝過程、海水淡化提供熱能，也可負荷跟蹤，支持發展間歇性的新能源。

Ⅲ.核廢物再利用與處置——可大大減少需要處置的乏燃料的數量，而某些技術可使乏燃料得以“再利用”。

Ⅳ.融資能力——可采用工廠制造，使基建成本更低。

先進堆的規模：

微堆——1-20 MW，可裝在平板卡車上，可移動/擴展。

小型模塊式反應堆（SMR）——20-300 MW，單元數量可多可少。

大型反應堆——300-1000+ MW，可提供可靠、零碳排放的基荷電源。

先進堆類型：

先進SMR——用水作為冷卻劑，體積比傳統的輕水堆(LWR)小。

液態金屬冷卻快堆——使用金屬(鈉或鉛)代替水作為冷卻劑，使冷卻劑在比現有反應堆更高的溫度和更低的壓力下運行。

氣冷堆——通過流動的氣體來冷卻，設計用于高溫下運行。

熔鹽堆——使用熔態氟化物或氯化物鹽作為冷卻劑。

美國民間正在開發的先進堆項目表

啟示與思考

乏燃料再循環，減少最終處置的廢物量，增加核能利用效率，是國際核能界幾十年來孜孜以求的技術、經濟和社會生態目標，關鍵在于用何種新的技術與工藝，支撐這個夢想得以實現。

干法(高溫冶金)技術已經成熟，能實現高熱、短壽命裂變產物(氣態、固態)與長壽命、劇毒的阿系元素分離，使后者成為某些先進堆的燃料，入堆再循環，減少最終處置的廢物量，增加核能利用效率，為人類提供充足、廉價的能源。

核廢物最終處置方式：相對美國“尤卡山”式的地質處置庫，“裂變產物”核電現場或附近地表存放衰變(300-1000年)和長壽命高毒性“錒系元素污染物”深層地質鉆孔處置(幾萬～幾十萬年)更可取。

推進先進堆設計，大規模部署，關鍵是安全和經濟。但更重要的是徹底消除公眾對放射性的恐懼。只有核電機組設計上有保障，“應急規劃區”的邊界是電廠的圍墻(或“廠區圍欄”)才能徹底消除恐懼情緒。電廠發生某些事故是難免的，關鍵是對外環境、周邊居民的健康和生活福祉不會產生影響。

根據現代核能的發展規律，先進堆的設計和運行還要接受實際安全和經濟運行的考驗，多數會遭淘汰，只有實踐可接受的幾種能夠存活下來。就目前發展的趨勢看：

—先進模塊式水冷堆（SMR）：最初有可能在退役燃煤電廠廠址上出現并發展;但因經濟成本較高，很難長期延續下去……

—液態金屬冷卻快堆：從固體燃料制造技術和反應堆安全、經濟運行成本考慮，很難得以廣泛部署……

—高溫氣冷堆：無論能否能用乏核燃料分離的阿系元素制造球床燃料，都是開式(一次通過)燃料循環，只在特定需求(超高溫工藝供熱)環境，有存活的可能……

—熔鹽堆：最有發展前景的先進堆設計，因其本身就是一個完整的“先進堆與燃料再循環系統”。最初、最穩妥、最安全的堆型是穩定鹽反應堆(SSR)和一體化熔鹽堆(IMSR);待設備、材料工藝過關(耐用、無故障運行壽期足夠長)后才能廣泛部署最簡單、最經濟的MSR，包括MCFR。

—最早運行的熔鹽快堆：氯化物熔鹽堆試驗裝置(MCRE)，容量0.5 MW，2025年在INL科技園區投入運行，不發電，僅為MCFR設計取照提供運行數據[12]。

過去不理解DOE設ARPA-E的作用和它與能源部其他部門，特別是NE(核能辦公室)各種規劃的相互關聯。受新墨西哥州立大學參與ONWARDS規劃項目的啟發，才慢慢理解設立這個部門，其實就是國家有意識地提供資金，用國家實驗室積累的技術、知識、先進研究工具，與大學、創投公司一起支持私營的創新能源公司，催熟、商用化先進堆設計和乏燃料再循環技術，促成民營企業全面介入美國核燃料閉環活動，實現核能、核工業全面升級轉型，進入早先設想的“第四代”核能時代。

氣候變化、環境危機、除碳、能源轉型、地緣政治、資源供應、俄烏戰爭為先進核能發展創造了“緊迫性”，甚至成為北美、西歐甚至全世界發展新能源和核能技術，實現能源獨立的“動員令”……

先進堆與乏燃料“再循環”技術早就存在，只是在開發創新技術，尋找最經濟、安全的解決方案。不從ARPA-E和NE項目全局上看，無法理解美國的戰略格局和其規劃項目目標。系統地研究美國的戰略，會使我們在制定研發規劃、選定核能項目時少走彎路。

資料與注釋

[1] ANS Nuclear Cafe, New Mexico State collaborates on spent fuel recycling under

ARPA-E program, ANS, July 12, 2022

[2] Jessica Brinegar, NMSU to collaborate on $8.5 million DOE grant to reduce nuclear reactor waste, New Mexico State University, Jun 27, 2022

[3] Nuclear News, DOE funds R&D for advanced reactor fuel cycle management, ANS,

March 14, 2022

[4] DOE NE, 3 Early-Stage R&D Programs Transforming the Nuclear Industry, MAY 24, 2022

[5] DOE, Department of Energy Announces 10 Projects to Support Advanced Nuclear Reactor Power Plants, JUNE 4, 2018

[6] ARPA-E, Modeling-Enhanced Innovations Trailblazing Nuclear Energy Reinvigoration (MEITNER)

[7] ARPA-E, MEITNER=Modeling-Enhanced Innovations Trailblazing Nuclear Energy Reinvigoration

[8] DOE, DOE Announces $27 Million for Advanced Nuclear Reactor Systems Operational Technology, MAY 13, 2020

[9] ARPA-E，GEMINA—Generating Electricity Managed by Intelligent Nuclear Assets, PROJECT DESCRIPTIONS

[10] ARPA-E, CURIE: Converting UNF Radioisotopes Into Energy, 03/15/2022

[11] DOE NE, Advanced Reactor Types, 16 01, 2019

[12] TerraPower, TerraPower and Southern Company to demonstrate the world’s first fast-spectrum salt reactor at Idaho National Laboratory, February 23, 2022