英国发布先进核燃料循环路线图
来源：全球变化研究信息中心
英国发布先进核燃料循环路线图”>年6月24日，英国商务、能源与产业战略部（BEIS）和国家核实验室（NNL）联合发布《燃料净零：清洁能源未来的先进核燃料循环路线图》（Fuelling Net Zero：Advacned Nuclear Fuel Cycle Roadmaps for a Clean Energy Future）指出，英国必须开发先进的核燃料和燃料循环技术，才能实现清洁能源目标。路线图有助于英国决策者与工业界规划核能的未来发展方向，促进到2050年实现温室气体净零排放目标。
路线图列出了英国需要发展的两个主要领域：先进燃料开发和先进燃料循环技术。这两个领域包含了一系列技术路线图，每个技术路线图均围绕趋势和驱动因素、机会/应用领域、技术和能力以及促成因素4个主题构建。
1 先进燃料开发路线图
（1）先进技术燃料（ATF）
ATF技术路线图着重于3个技术领域：短期内为锆（Zr）合金表面涂层；长期的“变革性”（revolutionary）突破包括高密度燃料（氮化铀）和先进包层（如碳化硅复合材料）。
ATF路线图概要如下：①在未来10~15年，英国可能会生产商用涂层包层和下一代ATF，以供应可能不断增长的国内外轻水反应堆（LWR）市场。②辐照试验、堆外试验和废旧燃料管理评估等燃料认证，将是未来3~5年的重点。③通过路线图确定的路径提供这些ATF产品，将有助于确保英国本土的燃料制造能力，同时为英国带来潜在的可观收入。④路线图确定的促成因素包括国际合作、辐照和辐照后检查（PIE）设施的使用，以及新燃料认证的核数据要求。
（2）包覆颗粒燃料（CPF）
CPF通常被称为三结构各向同性（TRISO）燃料，由核裂变材料的核心组成，比较典型的是二氧化铀。与开发和部署高温反应堆（HTR）相关的CPF技术日益引起人们的关注，该技术具有灵活输送电力、热能和氢气的潜力。CPF技术也可能将应用于LWR，以及新型微反应堆和空间反应堆系统。为了使这项技术及其应用获得成功，需要确保燃料供应安全。CPF技术研发路线图的重点是开发内核和涂层技术，以及封装技术（即形成鹅卵石或压实）。
CPF路线图概要如下：①机会主要集中在21世纪30年代早期的短期燃料供应，其次为更长期的商业化燃料生产和供应。②这些路径旨在实现《能源白皮书》（Energy White Paper）中关于到21世纪30年代早期在英国建造先进模块化反应堆（AMR）示范装置的目标，以及国内外高温反应堆（HTR）市场的预期增长。③近期的研究重点是开发典型燃料、涂层和封装技术，以获得燃料认证和许可。这包括燃料性能和反应堆物理模型、辐照试验、正常和事故条件下的堆外试验以及废旧燃料管理评估。④路线图确定的促成因素包括高含量低浓缩铀（HA-LEU）的供应、国际合作、辐照和辐照后检查（PIE）设施的使用，以及新燃料认证的核数据要求。
（3）快堆燃料和燃料循环
快堆技术是开发可持续燃料循环的重要工具，可根据应用情况选择各种燃料。快堆燃料和燃料循环研发路线图涵盖了含钢包层的铀基燃料，以及钚和少量锕系（MA）燃料和包覆技术。
快堆燃料和燃料循环路线图概要如下：①采用下一代钢包层的先进铀基燃料，旨在实现《能源白皮书》中关于到21世纪30年代早期在英国建造AMR示范装置的目标。虽然HTR是目前假定的基线技术，但并不排除将其重点放在具有经济效益和先进燃料循环潜在途径的快堆技术上。②长期来看，对快堆钚和MA燃料的更广泛研究侧重于国内外快堆燃料市场的预期增长。近期的研究重点是开发典型燃料，以获得燃料认证和示范许可。这包括燃料性能和反应堆物理模型、辐照试验、堆外试验以及废旧燃料管理评估。③钚和MA燃料制造的发展需要开发基础设施和燃料回收技术。④路线图确定的促成因素包括使用高活性电池进行废旧燃料管理测试、国际合作、辐照和辐照后检查（PIE）设施的使用，以及与英国核退役管理局（NDA）密切合作，开发共同的研发基础设施。
2 可持续的先进燃料循环路线图
（1）先进的LWR燃料循环
先进的回收技术研发路线图侧重于核心的回收过程、工艺技术和关键的废物管理技术。关键技术的开发需求是：①前端操作，包括剪切、燃料溶解以及铀氧化物和混合氧化物燃料（MOX）的预处理；②从裂变产物中分离铀和钚（以及潜在的镎）的强化过程，避免在过程中出现纯钚流；③从高水平放射性废液中回收MA的简单工艺；④将混合产品共同转化为具有燃料制备性能的燃料前体；⑤基于先进技术的二次废物管理策略；⑥应用创新的在线分析工具进行过程监测、控制和保障。
先进的LWR燃料循环路线图概要如下：①未来10~15年，英国可能扩大的核项目（包括大型、小型和先进的系统）将推动对燃料回收的可靠技术选择的需求。钚处置及作为MOX进行再利用是能源发展的驱动因素。先进反应堆燃料未来可能的市场也是一个驱动因素。②短期到中期的技术开发重点是使技术成熟度（TRL）达到6级（TRL6，即工程/试点规模的模型在相关环境中进行测试，代表该技术已准备就绪，开始了该技术的真正工程开发），这将需要对辐照燃料进行溶解研究和端到端的集成工艺试验。③路线图确定的促成因素包括积极示范的基础设施、国际合作，以及先进的建模和仿真工具。④在燃料循环领域，英国拥有广泛而独特的经验，从几十年的再处理和废物管理试点到商业规模。路线图指出，在塞拉菲尔德（Sellafield）完成工业再处理之前，近期需要采取努力来总结这一经验。
（2）先进的ATF循环
先进的ATF循环研发路线图将在很大程度上取决于燃料概念的发展，但与先进的LWR燃料循环路线图有很大的重叠。先进的ATF循环技术研发路线图的重点是解决革命性ATF循环概念所需的进一步研发，预计这将主要影响前端燃料制备步骤。
先进的ATF循环路线图概要如下：①驱动因素包括ATF产品的开发和认证、英国可能扩大的核项目以及使用先进燃料的AMR的可能部署。②应用机会集中在未来10~15年内为燃料回收提供可靠的技术选择，支持英国未来对燃料的再处理和再循环的要求。③如果氮化铀ATF的概念得到推进，则进一步的发展将集中在氮-15的回收。④促成因素包括制造模拟燃料的能力、国际参与和对基础设施的使用。
（3）高温化学（熔盐）回收技术
高温化学处理研发不仅支持燃料处理，还支持反应堆或其他熔盐应用，如氚生产或能量存储。然而，该路线图的重点是开发一种用于高燃耗燃料的先进循环过程。
高温化学回收技术路线图概要如下：①未来10~15年，英国可能扩大的核项目（包括大型、小型和先进的系统）将推动对燃料回收的可靠技术选择的需求。②在技术领域，电解还原和电解精炼将重点通过TRL实现成熟。电解还原的特点是在前端将燃料调节成适合于电解精炼的形式。电解精炼有选择地将废旧燃料的可回收成分从剩余废料中分离出来。③废物管理的发展包括回收过程中的盐清除技术（这也将是熔盐先进反应堆的要求），以及对任何废物产品进行处理。④路线图中确定的关键促成因素包括构建技能通道（国家实验室、行业和学术能力）、知识获取、国际参与以及为积极的示范开发基础设施。
转载本文请注明来源及作者：中国科学院兰州文献情报中心《气候变化科学动态监测快报》2021年第14期，廖 琴 编译．
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