尽管自美国上一座新的核电反应堆上线以来已经过去了十二年，但现在核能复兴的迹象正在出现。激励因素当然是存在的：天然气和石油的成本已经飞涨；公众越来越反对燃烧化石燃料产生的温室气体排放；联邦政府已提供高达 80 亿美元的补贴和保险，以应对许可延误（并制定了简化流程的新法律）以及 185 亿美元的贷款担保。奄奄一息的核电行业还能想要什么呢？
只有一件事：一个可以运送其乏反应堆燃料的地方。的确，缺乏处置场所仍然是笼罩在整个企业上空的阴云。内华达州尤卡山联邦废物储存库（目前预计最早于 2017 年开放）的预计开放时间已经推迟了二十年，而且国家核电站的乏燃料冷却池正在耗尽空间。
因此，大多数核能公司开始将较旧的乏燃料在干燥的地面上存放在巨大的容器中，每个容器通常装有 10 吨废物。每年，一座 1000 兆瓦的反应堆排放的燃料足以装满两个这样的容器，每个容器的成本约为 100 万美元。但这还不是该行业所做的全部。美国核能公司正在起诉联邦政府，因为如果美国能源部按照原计划在 1998 年开放尤卡山储存库，它们就不会产生这些费用。因此，政府正在为容器和相关基础设施及运营买单——每年的账单约为 3 亿美元。
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在开始将燃料运离场所的压力下，能源部重新拾起了它在 1970 年代放弃的想法——“后处理”乏燃料，化学分离不同的元素，以便某些元素可以重复使用。大型后处理工厂已经在法国和英国运行了十多年，日本也于 2006 年开始运营其耗资 200 亿美元的工厂。因此，这种策略并非没有先例。但是，正如我在下面讨论的那样，后处理是一条昂贵且危险的道路。
来自地狱的元素
理解我拒绝核燃料后处理的原因，只需要对核燃料循环有一个基本的了解和一点常识就足够了。动力反应堆通过维持裂变（或“分裂”）原子的核链式反应来产生热量——热量产生蒸汽以转动发电涡轮机。大多数时候，燃料是铀，经过人工浓缩，使其 4% 到 5% 是链式反应同位素铀 235；几乎所有剩余部分都是铀 238。在仅 5% 的浓缩度下，被盗的反应堆燃料不能用于制造非法原子弹。
在反应堆中，一些铀 238 吸收一个中子并变成钚 239，钚 239 也是链式反应的，原则上，如果将其提取并适当制备，可以部分“燃烧”。然而，这种方法有各种缺点。其中之一是提取和处理成本远高于新燃料的价值。另一个是回收钚仅在最小程度上减少了废物问题。最重要的是，分离出的钚很容易被用于制造核弹，如果它落入坏人之手；因此，必须花费大量精力来确保其安全，直到它再次成为乏燃料的一部分。
当人们考察那些已经开始实施后处理计划的国家的经验时，这些缺点变得非常清楚。在后处理技术的世界领导者法国，分离出的钚（与氧气化学结合形成二氧化钚）与铀 238（也是氧化物形式）混合，制成“混合氧化物”或 MOX 燃料。在使用 MOX 燃料发电后，乏 MOX 燃料仍然含有约 70% 的钚，与制造时一样多；然而，在反应堆内部产生的放射性裂变产物的添加使得这种钚难以获取和制造成炸弹。用过的 MOX 燃料被运回后处理设施进行无限期储存。因此，法国实际上是利用后处理将其乏燃料问题从反应堆场址转移到后处理厂。
日本正在效仿法国的做法。英国和俄罗斯只是储存他们分离出的民用钚——截至 2005 年底，两国共储存了约 120 吨，足以制造 15,000 枚原子弹。
直到最近，法国、俄罗斯和英国还通过后处理其他国家（如日本和德国）的乏燃料来赚钱，这些国家的国内反核活动人士要求政府要么表明它有解决乏燃料的方案，要么关闭其反应堆。这些国家的当局发现，将乏燃料送到国外进行后处理是一种方便（如果代价高昂）的处理核废料的方式——至少是暂时的。
有了这些合同，法国和英国很容易为建设新的后处理厂提供资金。然而，这些协议规定，分离出的钚和任何高放射性废物将在稍后送回原产国。俄罗斯最近也采取了类似的政策。因此，将乏燃料送到国外的政府最终需要安排储存场所来存放返回的放射性废物。这个现实花了一段时间才被人们理解，但现在它已经说服了几乎所有购买外国后处理服务的国家，它们不妨储存自己的乏燃料，并节省约 100 万美元/吨的后处理费用（是干式储存容器成本的 10 倍）。
因此，法国、俄罗斯和英国几乎失去了所有外国客户。结果之一是，英国计划在未来几年内关闭其后处理厂，此举将带来 920 亿美元的清理这些设施场址的代价。2000 年，法国考虑了在 2010 年结束后处理的选择，并得出结论，这样做将降低核电成本。然而，做出这样的改变也可能引发关于核废料的激烈辩论——这正是法国核机构最不愿意看到的，在一个反核活动相对较少的国家。
日本在政治上更加受后处理的束缚：与美国不同，日本的核能公司一直未能获得扩建其场址内储存设施的许可。如今，俄罗斯只有一个后处理厂，其处理能力仅能处理该国 15% 的核反应堆的乏燃料。苏联曾计划扩大其后处理能力，但在 1980 年代经济崩溃时放弃了这些计划。
在冷战期间，美国在华盛顿州和南卡罗来纳州运营后处理厂，以回收用于核武器的钚。在这些努力中分离出的大约 100 吨钚中，超过一半已被宣布超出我们的国家需求，能源部目前预计处置这些钚将花费超过 150 亿美元。那些在这些后处理场所工作的人员现在主要忙于清理由此造成的混乱，预计这将花费约 1000 亿美元。
除了这些军事行动外，一家小型商业后处理设施于 1966 年至 1972 年在纽约州北部运营。它分离出了 1.5 吨钚，之后破产并成为联邦政府与州政府共同出资的清理合资企业，预计需要花费约 50 亿美元的纳税人资金。
考虑到后处理带来的所有问题，人们可能会理所当然地问，为什么还要追求后处理。部分答案是，在民用核电站首次引入后的多年里，美国原子能委员会 (AEC) 在国内和国外都将后处理宣传为核电未来必不可少的一部分，因为该行业担心铀会耗尽（这种担忧后来有所缓解）。
但这还是在钚生产的安全风险从理论变成现实之前。1974 年，印度是美国协助获得后处理能力的国家之一，它使用了其首次分离出的钚制造了核武器。大约在此时，已故的西奥多·B·泰勒（美国前核武器设计师）正在就每年计划分离和回收数千吨钚的可能性发出警报，这可能会让恐怖分子窃取足够的这种材料来制造一枚或多枚核弹。
分离出的钚放射性很弱，很容易被带走——而乏燃料中的钚与发出致命伽马射线的裂变产物混合在一起。由于其巨大的放射性，乏燃料只能在重达数十吨的容器内运输，并且其钚只能非常困难地回收，通常在厚厚的屏蔽层后面使用复杂的远程操作设备。因此，乏燃料中未分离的钚最终落入坏人之手的风险要小得多。
福特政府（以及后来的卡特政府）被印度惊醒，意识到了通过后处理进行核武器扩散的危险，重新审查了原子能委员会的立场，并得出结论，后处理既不必要也不经济。因此，美国政府放弃了后处理民用反应堆乏燃料的计划，并敦促法国和德国取消它们正在向巴基斯坦、韩国和巴西出口后处理技术的合同。
里根政府后来推翻了福特-卡特政府在国内后处理问题上的立场，但美国核工业不再感兴趣。它也得出结论，利用回收的钚进行后处理在经济上无法与现有的“一次通过”燃料系统竞争。后处理，至少在美国，已经走到了死胡同，或者看起来是这样。
从核灰烬中崛起
当前的布什政府最近重新激活了后处理乏核燃料的想法，作为其部署新一代核反应堆的提案的一部分。根据这一设想，超铀元素（从常规反应堆燃料中提取的钚和其他类似重元素）将在新反应堆中重复回收，以通过裂变将它们分解成较轻的元素，其中大多数元素的半衰期较短。因此，需要安全储存数千年的核废物的量将减少[参见威廉·H·汉纳姆、杰拉尔德·E·马什和乔治·S·斯坦福的“更智能地利用核废料”；《大众科学》，2005 年 12 月]。一些科学家认为这项新计划“技术上很吸引人”，借用 J·罗伯特·奥本海默曾经用来描述氢弹设计的说法。但它真的明智吗？
以这种方式回收美国乏燃料的提议并不新鲜。事实上，在 1990 年代中期，能源部要求美国国家科学院 (NAS) 对这种减少长寿命放射性废物量的方法进行研究。由此产生的篇幅巨大的报告《核废料：分离和嬗变技术》非常负面。美国国家科学院小组得出结论，回收前 62,000 吨乏燃料（否则将储存在尤卡山的量）中的超铀元素将需要“不少于 500 亿美元，很容易超过 1000 亿美元”——换句话说，可能需要花费大约 500 美元/人，针对美国的每个人。要处理美国现有反应堆预计在其寿命期内排放的全部乏燃料，这些数字必须翻倍。
为什么如此昂贵？因为不能使用传统反应堆。传统反应堆既使用水来冷却，也使用水来减慢燃料中铀核裂变时释放出的中子速度；这种减速使中子能够诱导其他铀 235 原子裂变，从而维持核链式反应。将回收燃料送入这样的反应堆会导致较重的超铀元素（钚 242、镅和锔）积累。拟议的解决方案是一种完全不同类型的核反应堆，在这种反应堆中，中子减速较少，因此能够分解这些难以破解的原子。
在 1960 年代和 1970 年代，包括美国在内的主要工业国家投入了相当于今天 500 多亿美元的资金，用于将这种快中子反应堆商业化，这种反应堆使用熔融钠而不是水进行冷却。这些装置也称为增殖反应堆，因为它们旨在产生的钚多于消耗的钚，因此可以更有效地利用铀中的能量。人们期望增殖反应堆将很快取代传统的水冷反应堆。但事实证明，钠冷反应堆的建造和运行成本远高于预期，而且问题多多，大多数国家都放弃了将其商业化的努力。
能源部现在提议开发和部署的正是这种失败的反应堆类型——但其堆芯经过重新配置，成为净钚燃烧器而不是增殖器。美国将需要建造 40 到 75 座 1000 兆瓦的这种类型反应堆，才能以国家 104 座传统反应堆产生的速度分解超铀元素。如果每座新的钠冷反应堆的成本比同等容量的水冷反应堆高出 10 亿到 20 亿美元，那么所需的联邦补贴将达到 400 亿到 1500 亿美元，此外还需要 1000 亿到 2000 亿美元用于建设和运营回收基础设施。鉴于美国的预算赤字，这种计划实际上不太可能实施。
如果建成一座全面的后处理厂（正如能源部直到最近还提议在 2020 年之前完成的那样），但钠冷反应堆没有建成，那么几乎所有分离出的超铀元素都将只是无限期储存。这种尴尬的局面正是英国所遭遇的，英国的后处理计划始于 1960 年代，已经产生了约 80 吨分离出的钚，这是一笔遗留问题，安全处置将花费数百亿美元。
后处理乏燃料，然后在后处理厂无限期地储存分离出的钚和放射性废物，这不是一种处置策略。而是一种灾难策略，因为它使分离出的钚更容易被盗。在 1998 年的一份报告中，英国皇家学会（相当于美国国家科学院）在评论该国不断增长的民用钚储备时警告说，“钚储备在某个阶段可能被用于非法武器生产的可能性令人极为担忧。”2007 年，第二份皇家学会报告重申，“继续储存非常危险的材料的现状不是一种可以接受的长期选择。”
显然，谨慎的做法要求钚不应以容易被盗的形式储存在后处理设施中。事实上，常识表明根本不应该分离钚。在长期储存库可用之前，乏反应堆燃料可以保留在产生它的核电站场址。
这种储存是否危险？我认为，将一次通过系统产生的较旧燃料保存在干式储存容器中，对周围居民造成的现有核危害增加量可以忽略不计。装在干式储存容器中的 10 吨 20 年燃料产生的 10 千瓦放射热量，在加热周围空气时通过对流带走。有意造成伤害的恐怖分子可能会试图使用反坦克武器或坠毁飞机的发动机刺穿这种容器，但在大多数情况下，只有少量放射性燃料碎片会散布在有限的区域内。相比之下，如果附近反应堆的冷却剂被切断，其燃料会在几分钟内过热并开始释放大量汽化的裂变产物。如果装有乏燃料的储存池中的水流失，燃料棒的锆包壳会在数小时内被加热到燃点。从这个角度来看，干式储存容器看起来相当安全。
是否有足够的物理空间来存放它们？是的，美国核电站有足够的空间容纳更多的容器。即使是最老的美国在运反应堆，其许可证也已延长了 20 年，而且新的反应堆很可能会在同一场址建造。因此，没有理由认为这些储存区域即将消失。当然，最终有必要将乏燃料移走并放置在其他地方，但没有必要惊慌失措并采取后处理政策，这只会使情况比今天更加危险和昂贵。
内华达州的恐惧和厌恶
美国放射性废物的长期命运取决于当前尤卡山僵局如何解决。对该场址的意见分歧。监管要求很严格：能源部必须证明，这座山能够充分容纳废物，以防止百万年内场外剂量超标。
证明如此遥远未来的安全性并非易事，但即使是设计糟糕的储存库的风险，也远不及使核武器材料更容易获取的政策的风险。从这个角度来看，很难理解为什么 10 万年或 100 万年后当地放射性污染的危险在美国引发了如此多的政治热情，而不是持续存在的核武器迫在眉睫的危险。
部分问题在于内华达州的观点，即里根政府和国会在 1987 年缩短了对其他候选场址的客观评估，并将尤卡山指定为未来核废料储存库的所在地，这是不公平的。为了克服这种看法，可能有必要重新开始选择额外场址的审议。采取这样的行动应该不难。事实上，《1987 年核废料政策法》要求能源部长在 2010 年之前向国会报告是否需要第二个储存设施。然而，鉴于能源部在处理放射性废物方面的灾难性记录，也应考虑为此目的建立一个更加专业化和更少政治化的机构。
与此同时，乏燃料可以安全地以干式容器储存在反应堆场址。即使在将其放入地质储存库后，它也将在至少一个世纪内保持可取回状态。因此，在技术或经济环境发生剧烈变化的极不可能情况下，后处理的益处超过成本和风险，那么该选项仍然可用。但现在就匆忙进行一项昂贵且可能具有灾难性的事业，其依据是不确定的希望，即它可能会减轻核电行业带来的长期环境负担，这是毫无意义的。
编者注：本文最初的标题为“重新思考核燃料再循环”