英國國家核實(shí)驗(yàn)室（NNL）于2021年6月24日發(fā)布了《核燃料凈零排放：通往清潔能源未來的先進(jìn)核燃料循環(huán)路線圖》報(bào)告，指出英國要實(shí)現(xiàn)清潔能源的雄心，必須研發(fā)先進(jìn)核燃料和燃料循環(huán)技術(shù)。這份路線圖將幫助英國決策者和業(yè)界人士更好地開展核工業(yè)未來發(fā)展的規(guī)劃工作，以實(shí)現(xiàn)2050年凈零排放目標(biāo)。該報(bào)告主要分為三部分：①英國核燃料循環(huán)和先進(jìn)核燃料循環(huán)計(jì)劃（AFCP）概述；②制定先進(jìn)核燃料循環(huán)路線圖的方法；③先進(jìn)核燃料循環(huán)研究、開發(fā)與示范路線圖。本文主要介紹第一和第三部分的內(nèi)容。

1 英國的核燃料循環(huán)

英國立下了世界領(lǐng)先的溫室氣體凈零排放承諾，并成為第一個(gè)履行該承諾的主要經(jīng)濟(jì)體。英國政府于2020年發(fā)布的“十點(diǎn)計(jì)劃”和《能源白皮書》確立了核能在英國2050年及以后實(shí)現(xiàn)凈零能源系統(tǒng)目標(biāo)中的作用。核燃料循環(huán)對(duì)于核技術(shù)在未來能源系統(tǒng)脫碳方面的作用至關(guān)重要。在過去五年中，通過政府投資，英國已經(jīng)開始按照英國核創(chuàng)新研究與咨詢委員會(huì)（NIRAB）的建議重建整個(gè)核燃料循環(huán)的能力。然而，核能是一項(xiàng)長期事業(yè)，需要對(duì)核燃料循環(huán)研發(fā)與示范進(jìn)行持續(xù)性的戰(zhàn)略投入，才能讓英國實(shí)現(xiàn)未來核能部署的雄心。

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

未來的燃料循環(huán)部署方案可能包括：①在開式或單循環(huán)中應(yīng)用新的先進(jìn)核燃料和相關(guān)的乏燃料管理；②快堆技術(shù)及其相關(guān)的核燃料循環(huán)；③熔鹽堆技術(shù)，包括在線后處理；④朝部分或完全實(shí)施先進(jìn)核燃料循環(huán)發(fā)展，包括選擇分離與嬗變（P&T）；⑤逐漸完成反應(yīng)堆系統(tǒng)和核燃料循環(huán)的過渡。

2 英國先進(jìn)核燃料循環(huán)計(jì)劃

2016年，NIRAB建議政府投資建設(shè)未來核燃料循環(huán)能力，以確保能夠?qū)崿F(xiàn)英國核工業(yè)戰(zhàn)略（NIS）中設(shè)定的遠(yuǎn)大目標(biāo)。隨后，公共投資對(duì)未來核燃料循環(huán)研發(fā)進(jìn)行了投資。事實(shí)上，英國商業(yè)能源與產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略部（BEIS）5.05億英鎊的能源創(chuàng)新方案在2016年至2021年間對(duì)核創(chuàng)新方面進(jìn)行了投資。

圖2是未來可能的核燃料循環(huán)示意圖，其中部署了不同的反應(yīng)堆系統(tǒng)以發(fā)揮各種作用，因此需要相應(yīng)核燃料循環(huán)能力的支持。另外，與AFCP相關(guān)的領(lǐng)域也在圖中進(jìn)行了標(biāo)記。

在AFCP中，下一代核燃料的工作著眼于提高當(dāng)前輕水堆先進(jìn)技術(shù)燃料（ATF）的經(jīng)濟(jì)性能，同時(shí)還要為先進(jìn)堆研發(fā)創(chuàng)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(shù)的開發(fā)，同時(shí)開發(fā)正確的工具和資源來保障未來的選擇。

AFCP還認(rèn)識(shí)到需要可持續(xù)的核燃料循環(huán)來支持英國的清潔能源和環(huán)境目標(biāo)。AFCP的核心是再循環(huán)技術(shù)，通過不斷發(fā)展世界領(lǐng)先的科學(xué)和技術(shù)來重復(fù)利用寶貴的資源。

AFCP正在確定其領(lǐng)域內(nèi)近期和遠(yuǎn)期的潛在經(jīng)濟(jì)利益：該計(jì)劃幫助英國的機(jī)構(gòu)進(jìn)入未來市場，增強(qiáng)出口潛力，創(chuàng)造綠色就業(yè)機(jī)會(huì)和針對(duì)性解決方案，降低整個(gè)核燃料循環(huán)的成本，并最終降低清潔能源的生產(chǎn)成本。

通過對(duì)核燃料循環(huán)能力的投資，AFCP提高了英國的國際影響力。該計(jì)劃其中一環(huán)是發(fā)展重要的國際伙伴關(guān)系，有效利用雙邊和多邊計(jì)劃的協(xié)同作用，如美國和英國研發(fā)合作行動(dòng)計(jì)劃、第四代核能系統(tǒng)國際論壇（GIF）、歐洲地平線2020計(jì)劃和經(jīng)合組織核能機(jī)構(gòu)（OECD/NEA）等。2020年9月，AFCP助力英國啟動(dòng)首個(gè)國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）先進(jìn)核燃料循環(huán)合作中心。

3 先進(jìn)核燃料循環(huán)研發(fā)與示范路線圖

AFCP路線圖圍繞四個(gè)主題來構(gòu)建：①趨勢(shì)、驅(qū)動(dòng)因素和市場；②機(jī)會(huì)領(lǐng)域；③技術(shù)和能力；④促成因素。表1是包含上述主題的英國先進(jìn)核燃料及核燃料循環(huán)路線圖概況。

表2列出了英國先進(jìn)核燃料及核燃料循環(huán)的關(guān)鍵機(jī)會(huì)領(lǐng)域，這些機(jī)會(huì)領(lǐng)域構(gòu)成了路線圖的基礎(chǔ)，包括：①先進(jìn)核燃料路線圖中的先進(jìn)技術(shù)燃料（ATF）、包覆顆粒燃料（CPF）和快堆燃料和燃料循環(huán)；②可持續(xù)先進(jìn)燃料循環(huán)路線圖中用以生產(chǎn)未來燃料的輕水堆（LWR）燃料先進(jìn)再循環(huán)技術(shù)、ATF先進(jìn)再循環(huán)技術(shù)和高溫化學(xué)（熔鹽）再循環(huán)技術(shù)。

下面詳細(xì)介紹英國的先進(jìn)核燃料及核燃料循環(huán)路線圖。

3.1 先進(jìn)核燃料路線圖

（1）先進(jìn)技術(shù)燃料（ATF）

當(dāng)前創(chuàng)新的重點(diǎn)是為LWR核電站提供性能良好且兼具經(jīng)濟(jì)性的核燃料。圖3是英國ATF技術(shù)路線圖，它側(cè)重于AFCP下面的三個(gè)技術(shù)領(lǐng)域：短期內(nèi)，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(jìn)包殼（例如碳化硅復(fù)合材料）。路線圖的重點(diǎn)包括：

①未來10～15年內(nèi)，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(yè)化涂層包殼和下一代ATF。

②未來3～5年的重點(diǎn)是燃料鑒定，包括輻照試驗(yàn)、堆外試驗(yàn)和乏燃料管理評(píng)估。

③通過路線圖確定的途徑交付這些ATF產(chǎn)品將有助于確保英國本土燃料制造能力，同時(shí)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(yàn)（PIE）設(shè)施的使用權(quán)以及新燃料認(rèn)證的核數(shù)據(jù)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(gòu)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(shí)驗(yàn)室即將進(jìn)行“燃料芯核”生產(chǎn)設(shè)備的安裝和調(diào)試。在英國亨利?羅伊斯爵士先進(jìn)材料研究所的框架下，曼徹斯特大學(xué)正在進(jìn)行新的流化床化學(xué)氣相沉積涂層機(jī)的安裝和調(diào)試。

圖4是CPF技術(shù)研發(fā)與示范路線圖，主要側(cè)重于開發(fā)“燃料芯核”技術(shù)、涂層技術(shù)和封裝技術(shù)（即形成燃料顆?；驂簤K）。路線圖的重點(diǎn)包括：

①在本世紀(jì)30年代初期以前，為示范堆提供近期燃料供應(yīng)，之后將長期進(jìn)行商業(yè)規(guī)模的燃料制造和供應(yīng)。

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

③近期的重點(diǎn)是開發(fā)原型燃料、涂層和封裝技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)示范堆燃料的認(rèn)證資格和許可。

④近期重點(diǎn)工作包括燃料性能和反應(yīng)堆物理建模、輻照試驗(yàn)、正常和事故條件下的堆外試驗(yàn)以及乏燃料管理評(píng)估。

⑤確定了促成因素，包括確保高豐度低濃縮鈾（HALEU）的供應(yīng)、國際合作、輻照和PIE設(shè)施的使用權(quán)以及新燃料認(rèn)證的核數(shù)據(jù)要求。

（3）快堆燃料和燃料循環(huán)

快堆技術(shù)是開發(fā)可持續(xù)燃料循環(huán)的寶貴工具，可根據(jù)快堆不同應(yīng)用提供多種燃料選擇。英國在快堆技術(shù)的開發(fā)和運(yùn)行以及配套燃料與燃料循環(huán)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(yùn)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(lǐng)域的專業(yè)地位。塞拉菲爾德的NNL中央實(shí)驗(yàn)室正在研究和優(yōu)化快堆燃料芯塊的制造，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)20多年來首次使用新的、非常靈活的燃料生產(chǎn)線制造英國快堆專用MOX燃料。此外，以歐洲合作研發(fā)計(jì)劃為基礎(chǔ)，例如GENIORS項(xiàng)目，探討快堆燃料循環(huán)技術(shù)。

圖5是快堆燃料和燃料循環(huán)研發(fā)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(huán)技術(shù)。路線圖的重點(diǎn)包括：

①具有下一代鋼包殼的先進(jìn)鈾基燃料，旨在實(shí)現(xiàn)能源白皮書中所述的到本世紀(jì)30年代初在英國建造AMR示范堆的目標(biāo)。雖然HTR是當(dāng)前假定的基線技術(shù)，但并不排除將重點(diǎn)放在具有經(jīng)濟(jì)性和可能通往先進(jìn)燃料循環(huán)的快堆技術(shù)上的決定。

②開展快堆钚和MA燃料的更廣泛工作，旨在實(shí)現(xiàn)英國和國際快堆燃料市場更長期的預(yù)期增長。

③近期的重點(diǎn)是為示范堆開發(fā)原型燃料，并進(jìn)行燃料鑒定和許可。這包括燃料性能和反應(yīng)堆物理建模、輻照試驗(yàn)和堆外試驗(yàn)以及乏燃料管理評(píng)估。

④钚和MA燃料制造的發(fā)展離不開基礎(chǔ)設(shè)施和燃料再循環(huán)技術(shù)的發(fā)展。

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

3.2 可持續(xù)先進(jìn)燃料循環(huán)路線圖

（1）LWR燃料先進(jìn)再循環(huán)技術(shù)

AFCP正在探索新的燃料再循環(huán)技術(shù)，與當(dāng)前的再循環(huán)技術(shù)相比，這些技術(shù)為降低燃料循環(huán)成本和環(huán)境影響以及提高安全性和防擴(kuò)散性提供了大量機(jī)會(huì)。AFCP正在開發(fā)一種先進(jìn)的PUREX流程，旨在對(duì)當(dāng)前英國、法國、俄羅斯和其他地方工業(yè)規(guī)模使用的PUREX流程進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的PUREX流程將使用更小的單循環(huán)流程以及更創(chuàng)新的概念，可簡化操作、增加防擴(kuò)散屏障和靈活性。同時(shí)，先進(jìn)PUREX流程的開發(fā)還將關(guān)注：最小化二次廢物產(chǎn)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(fù)擔(dān)；開發(fā)創(chuàng)新技術(shù)來管理高放和中放廢液副產(chǎn)物以及捕獲廢氣，包括用于長期貯存的新材料。

圖6是先進(jìn)LWR燃料再循環(huán)技術(shù)路線圖，主要側(cè)重于核心再循環(huán)流程、流程所用技術(shù)和關(guān)鍵廢物管理技術(shù)。其中關(guān)鍵的技術(shù)開發(fā)包括：前端操作，包括氧化鈾和MOX燃料的剪切、燃料溶解和調(diào)節(jié)；開發(fā)從裂變產(chǎn)物中分離鈾和钚（可能含有镎）的強(qiáng)化流程；開發(fā)從高放廢液中回收微量錒系元素的簡單流程；混合產(chǎn)品共轉(zhuǎn)化為燃料前體時(shí)具有可接受的燃料制造特性；開發(fā)最優(yōu)化的二次廢物管理戰(zhàn)略；開發(fā)創(chuàng)新型在線分析工具用于流程監(jiān)控、控制和安保。路線圖的重點(diǎn)包括：

①隨著英國核計(jì)劃的擴(kuò)張（包括大型GWe級(jí)LWR和SMR）導(dǎo)致其未來10～15年內(nèi)將對(duì)可靠燃料再循環(huán)技術(shù)的產(chǎn)生需求。

②技術(shù)開發(fā)的重點(diǎn)是在中短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)TRL6。

③路線圖確定了促成因素，包括示范基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、國際合作和開發(fā)先進(jìn)的建模和模擬工具。

（2）ATF先進(jìn)再循環(huán)技術(shù)

變革性ATF概念的先進(jìn)再循環(huán)研發(fā)和示范路線圖將在很大程度上取決于未來可能推進(jìn)的燃料概念，但與用以生產(chǎn)未來燃料的LWR燃料先進(jìn)再循環(huán)路線圖（圖6）有很大程度的重疊。圖7是ATF先進(jìn)再循環(huán)研發(fā)和示范路線圖，其側(cè)重于更高層次的關(guān)鍵步驟和方法，如解決ATF再循環(huán)ATF先進(jìn)再循環(huán)研發(fā)和示范路線圖概念所需的額外研發(fā)工作。ATF再循環(huán)概念預(yù)計(jì)將主要影響核燃料循環(huán)前端的燃料制備步驟。路線圖的重點(diǎn)包括：

①驅(qū)動(dòng)因素包括ATF產(chǎn)品的開發(fā)和認(rèn)證、英國可能擴(kuò)大核計(jì)劃以及潛在部署使用先進(jìn)核燃料的AMR。

②應(yīng)用計(jì)劃側(cè)重于在未來10～15年內(nèi)為燃料再循環(huán)提供可靠的技術(shù)選擇，支持并促成關(guān)于英國未來核燃料后處理和再循環(huán)要求的決定。

③假設(shè)LWR氧化物燃料先進(jìn)再循環(huán)路線圖（圖6）中所列正在開發(fā)的技術(shù)，是作為ATF先進(jìn)再循環(huán)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(huán)技術(shù)。另外，還要額外關(guān)注一些技術(shù)的開發(fā)，例如推進(jìn)氮化鈾ATF概念的話就需要開發(fā)氮-15的回收技術(shù)。

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(chǔ)設(shè)施的使用。

（3）高溫化學(xué)（熔鹽）再循環(huán)技術(shù)

高溫化學(xué)再循環(huán)技術(shù)主要是基于燃料的電解，與溶液再循環(huán)技術(shù)互為補(bǔ)充。AFCP將重點(diǎn)放在鹽化學(xué)和工程上，以重建英國在該領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，并更好地了解其科學(xué)和工程上的挑戰(zhàn)。除了堆芯金屬電解精煉工藝外，AFCP還關(guān)注通過電解還原將高溫處理擴(kuò)展到氧化物燃料，以及熔鹽堆（MSR）技術(shù)的一些跨領(lǐng)域挑戰(zhàn)。廢氣捕獲以及鹽的處理和固化也是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖8是高溫化學(xué)（熔鹽）再循環(huán)技術(shù)研發(fā)和示范路線圖，側(cè)重于開發(fā)高燃耗燃料的先進(jìn)再循環(huán)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(yīng)堆或其他熔鹽應(yīng)用，例如氚生產(chǎn)或能量存儲(chǔ)。路線圖的重點(diǎn)包括：

①英國核計(jì)劃的擴(kuò)大將驅(qū)動(dòng)英國在未來10～15年內(nèi)需要擁有可靠的燃料再循環(huán)技術(shù)。

②在技術(shù)領(lǐng)域，電解還原和電解精煉將專注于實(shí)現(xiàn)技術(shù)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(tài)。電解精煉將可回收元素選擇性地與廢物進(jìn)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(fù)擔(dān)。

③廢物管理開發(fā)包括開發(fā)再循環(huán)過程中的除鹽技術(shù)（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(guān)鍵推動(dòng)因素包括建立技能通道（國家實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)界和學(xué)術(shù)屆）、知識(shí)獲取、國際參與以及為熱示范開發(fā)支撐基礎(chǔ)設(shè)施。