核燃料多次封閉循環的技術路線

核電的主要過程是核燃料循環的過程，包括核燃料來源及制備、核電機組運行和核乏料處理等。在整個過程中，核安全性是重中之重，也是核電可持續發展的關鍵。目前，核裂變能主要用于發電，全球共有430多座核電機組在運行，總裝機超過3.7億千瓦，提供全球約16%的電力，有40多座核電反應堆正在建設。

幾十年來，核電站中的核燃料使用基本是一次性通過循環。雖然這在短期內降低了核乏料后處理的難度和成本，也減小了核擴散的可能性，但是，大量的核乏料壽命長達百萬年，使人們無法保證核乏料包裝材料長久的堅固性或因地質擴散等影響到的安全可靠性。

因此，國際原子能組織和大多數核電國家認識到，必須采用核燃料的多次封閉循環使用。這不僅可對核乏料進行嬗變處理，也可提高核燃料的使用效率，如果采用硬中子譜的反應堆，特別是加速器驅動的次臨界堆系統（下稱“ADS”）進行核廢料嬗變，可使核廢料放射性壽命由數百萬年降到約700年，使地質處理及其材料封裝成為可能，保證了核廢料處理的科學可行性，也使ADS系統產生的90%的電能供給電網使用。

現在，有能力對核廢料進行處理的方法，有快中子反應堆和ADS系統。考慮到這兩種系統的特點和性價比，國際原子能組織認為ADS更適合于燃燒乏燃料，中國科學院院士咨詢委員會也建議：快堆側重于核燃料的增值，ADS系統側重于處理核廢料。

目前，提高核裂變能燃料供應的主要途徑有以下幾種：

第一，由于鈾235在自然界的豐度只有0.72%。采用快堆的高能譜中子使鈾238和快中子復合反應并衰變產生镎239，再經過衰變生成钚239，通過放射化學分離出钚形成完整的鈾钚循環，可使鈾钚循環的核燃料增值約60倍。

鈾钚循環技術所涉及的快中子反應堆和放射分離技術都比較成熟，快堆已經進入試驗運行階段，但這種使核燃料增值的途徑，一方面會提高生產成本，另一方面也沒有減少核擴散的可能性。

第二，作為核裂變能的另一循環是釷鈾循環，釷232在反應堆中與中子進行復合反應衰變后產生鏷233，再經過衰變生成鈾233，進而通過放射化學可分離出鈾233形成完整的釷鈾循環。由于自然界的釷是100%的同位素釷232，加上世界上釷礦藏約是鈾的3倍，且我國釷儲量較豐富，采用釷鈾循環可使核燃料增值上百倍。

至今，釷鈾循環的科研比較有限，釷鈾循環的乏燃料的處理較困難，估計在一定時間內釷燃料只能是一次通過。然而，這也使釷鈾循環的核燃料難以用于核武器制造，即避免了核擴散。

第三，由于溶在海水中的鈾酰離子含有約45億噸的鈾，比現已探明的約470萬噸鈾礦高出近千倍，但海水中的鈾含量極低，使得長期以來這方面沒有得到重視。日本高崎研究所經過長期不懈的研究，從海水中富集得到了公斤級的鈾，成本約是現在鈾礦的3倍多，這種富集的方法使海水或鹽湖水提鈾成了提供鈾燃料的一種潛在途徑。

然而，在技術問題解決后，由于核燃料在核電成本中占大約3%，哪種途徑被采納將取決于進度與綜合的性能價格比。

反應堆中核燃料的高燃耗和先進核反應堆是核電追求的目標。這不僅可提高核電的經濟性，也可減少核乏料的數量，其關鍵的問題是材料。因此，抗輻照材料的研究是研究先進核反應堆的核心問題。