儘管自美國上一座新的核電反應堆上線以來已經過去了十二年，但現在核能復興的跡象正在出現。激勵因素當然是存在的：天然氣和石油的成本已經飛漲；公眾越來越反對燃燒化石燃料產生的溫室氣體排放；聯邦政府已提供高達 80 億美元的補貼和保險，以應對許可延誤（並制定了簡化流程的新法律）以及 185 億美元的貸款擔保。奄奄一息的核電行業還能想要什麼呢？
只有一件事：一個可以運送其乏反應堆燃料的地方。的確，缺乏處置場所仍然是籠罩在整個企業上空的陰雲。內華達州尤卡山聯邦廢物儲存庫（目前預計最早於 2017 年開放）的預計開放時間已經推遲了二十年，而且國家核電站的乏燃料冷卻池正在耗盡空間。
因此，大多數核能公司開始將較舊的乏燃料在乾燥的地面上存放在巨大的容器中，每個容器通常裝有 10 噸廢物。每年，一座 1000 兆瓦的反應堆排放的燃料足以裝滿兩個這樣的容器，每個容器的成本約為 100 萬美元。但這還不是該行業所做的全部。美國核能公司正在起訴聯邦政府，因為如果美國能源部按照原計劃在 1998 年開放尤卡山儲存庫，它們就不會產生這些費用。因此，政府正在為容器和相關基礎設施及運營買單——每年的賬單約為 3 億美元。
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在開始將燃料運離場所的壓力下，能源部重新拾起了它在 1970 年代放棄的想法——“後處理”乏燃料，化學分離不同的元素，以便某些元素可以重複使用。大型後處理工廠已經在法國和英國運行了十多年，日本也於 2006 年開始運營其耗資 200 億美元的工廠。因此，這種策略並非沒有先例。但是，正如我在下面討論的那樣，後處理是一條昂貴且危險的道路。
來自地獄的元素
理解我拒絕核燃料後處理的原因，只需要對核燃料迴圈有一個基本的瞭解和一點常識就足夠了。動力反應堆透過維持裂變（或“分裂”）原子的核鏈式反應來產生熱量——熱量產生蒸汽以轉動發電渦輪機。大多數時候，燃料是鈾，經過人工濃縮，使其 4% 到 5% 是鏈式反應同位素鈾 235；幾乎所有剩餘部分都是鈾 238。在僅 5% 的濃縮度下，被盜的反應堆燃料不能用於製造非法原子彈。
在反應堆中，一些鈾 238 吸收一箇中子並變成鈽 239，鈽 239 也是鏈式反應的，原則上，如果將其提取並適當製備，可以部分“燃燒”。然而，這種方法有各種缺點。其中之一是提取和處理成本遠高於新燃料的價值。另一個是回收鈽僅在最小程度上減少了廢物問題。最重要的是，分離出的鈽很容易被用於製造核彈，如果它落入壞人之手；因此，必須花費大量精力來確保其安全，直到它再次成為乏燃料的一部分。
當人們考察那些已經開始實施後處理計劃的國家的經驗時，這些缺點變得非常清楚。在後處理技術的世界領導者法國，分離出的鈽（與氧氣化學結合形成二氧化鈽）與鈾 238（也是氧化物形式）混合，製成“混合氧化物”或 MOX 燃料。在使用 MOX 燃料發電後，乏 MOX 燃料仍然含有約 70% 的鈽，與製造時一樣多；然而，在反應堆內部產生的放射性裂變產物的新增使得這種鈽難以獲取和製造成炸彈。用過的 MOX 燃料被運回後處理設施進行無限期儲存。因此，法國實際上是利用後處理將其乏燃料問題從反應堆場址轉移到後處理廠。
日本正在效仿法國的做法。英國和俄羅斯只是儲存他們分離出的民用鈽——截至 2005 年底，兩國共儲存了約 120 噸，足以製造 15,000 枚原子彈。
直到最近，法國、俄羅斯和英國還通過後處理其他國家（如日本和德國）的乏燃料來賺錢，這些國家的國內反核活動人士要求政府要麼表明它有解決乏燃料的方案，要麼關閉其反應堆。這些國家的當局發現，將乏燃料送到國外進行後處理是一種方便（如果代價高昂）的處理核廢料的方式——至少是暫時的。
有了這些合同，法國和英國很容易為建設新的後處理廠提供資金。然而，這些協議規定，分離出的鈽和任何高放射性廢物將在稍後送回原產國。俄羅斯最近也採取了類似的政策。因此，將乏燃料送到國外的政府最終需要安排儲存場所來存放返回的放射性廢物。這個現實花了一段時間才被人們理解，但現在它已經說服了幾乎所有購買外國後處理服務的國家，它們不妨儲存自己的乏燃料，並節省約 100 萬美元/噸的後處理費用（是乾式儲存容器成本的 10 倍）。
因此，法國、俄羅斯和英國幾乎失去了所有外國客戶。結果之一是，英國計劃在未來幾年內關閉其後處理廠，此舉將帶來 920 億美元的清理這些設施場址的代價。2000 年，法國考慮了在 2010 年結束後處理的選擇，並得出結論，這樣做將降低核電成本。然而，做出這樣的改變也可能引發關於核廢料的激烈辯論——這正是法國核機構最不願意看到的，在一個反核活動相對較少的國家。
日本在政治上更加受後處理的束縛：與美國不同，日本的核能公司一直未能獲得擴建其場址內儲存設施的許可。如今，俄羅斯只有一個後處理廠，其處理能力僅能處理該國 15% 的核反應堆的乏燃料。蘇聯曾計劃擴大其後處理能力，但在 1980 年代經濟崩潰時放棄了這些計劃。
在冷戰期間，美國在華盛頓州和南卡羅來納州運營後處理廠，以回收用於核武器的鈽。在這些努力中分離出的大約 100 噸鈽中，超過一半已被宣佈超出我們的國家需求，能源部目前預計處置這些鈽將花費超過 150 億美元。那些在這些後處理場所工作的人員現在主要忙於清理由此造成的混亂，預計這將花費約 1000 億美元。
除了這些軍事行動外，一家小型商業後處理設施於 1966 年至 1972 年在紐約州北部運營。它分離出了 1.5 噸鈽，之後破產併成為聯邦政府與州政府共同出資的清理合資企業，預計需要花費約 50 億美元的納稅人資金。
考慮到後處理帶來的所有問題，人們可能會理所當然地問，為什麼還要追求後處理。部分答案是，在民用核電站首次引入後的多年裡，美國原子能委員會 (AEC) 在國內和國外都將後處理宣傳為核電未來必不可少的一部分，因為該行業擔心鈾會耗盡（這種擔憂後來有所緩解）。
但這還是在鈽生產的安全風險從理論變成現實之前。1974 年，印度是美國協助獲得後處理能力的國家之一，它使用了其首次分離出的鈽製造了核武器。大約在此時，已故的西奧多·B·泰勒（美國前核武器設計師）正在就每年計劃分離和回收數千噸鈽的可能性發出警報，這可能會讓恐怖分子竊取足夠的這種材料來製造一枚或多枚核彈。
分離出的鈽放射性很弱，很容易被帶走——而乏燃料中的鈽與發出致命伽馬射線的裂變產物混合在一起。由於其巨大的放射性，乏燃料只能在重達數十噸的容器內運輸，並且其鈽只能非常困難地回收，通常在厚厚的遮蔽層後面使用複雜的遠端操作裝置。因此，乏燃料中未分離的鈽最終落入壞人之手的風險要小得多。
福特政府（以及後來的卡特政府）被印度驚醒，意識到了通過後處理進行核武器擴散的危險，重新審查了原子能委員會的立場，並得出結論，後處理既不必要也不經濟。因此，美國政府放棄了後處理民用反應堆乏燃料的計劃，並敦促法國和德國取消它們正在向巴基斯坦、韓國和巴西出口後處理技術的合同。
里根政府後來推翻了福特-卡特政府在國內後處理問題上的立場，但美國核工業不再感興趣。它也得出結論，利用回收的鈽進行後處理在經濟上無法與現有的“一次透過”燃料系統競爭。後處理，至少在美國，已經走到了死衚衕，或者看起來是這樣。
從核灰燼中崛起
當前的布什政府最近重新激活了後處理乏核燃料的想法，作為其部署新一代核反應堆的提案的一部分。根據這一設想，超鈾元素（從常規反應堆燃料中提取的鈽和其他類似重元素）將在新反應堆中重複回收，以透過裂變將它們分解成較輕的元素，其中大多數元素的半衰期較短。因此，需要安全儲存數千年的核廢物的量將減少[參見威廉·H·漢納姆、傑拉爾德·E·馬什和喬治·S·斯坦福的“更智慧地利用核廢料”；《大眾科學》，2005 年 12 月]。一些科學家認為這項新計劃“技術上很吸引人”，借用 J·羅伯特·奧本海默曾經用來描述氫彈設計的說法。但它真的明智嗎？
以這種方式回收美國乏燃料的提議並不新鮮。事實上，在 1990 年代中期，能源部要求美國國家科學院 (NAS) 對這種減少長壽命放射性廢物量的方法進行研究。由此產生的篇幅巨大的報告《核廢料：分離和嬗變技術》非常負面。美國國家科學院小組得出結論，回收前 62,000 噸乏燃料（否則將儲存在尤卡山的量）中的超鈾元素將需要“不少於 500 億美元，很容易超過 1000 億美元”——換句話說，可能需要花費大約 500 美元/人，針對美國的每個人。要處理美國現有反應堆預計在其壽命期內排放的全部乏燃料，這些數字必須翻倍。
為什麼如此昂貴？因為不能使用傳統反應堆。傳統反應堆既使用水來冷卻，也使用水來減慢燃料中鈾核裂變時釋放出的中子速度；這種減速使中子能夠誘導其他鈾 235 原子裂變，從而維持核鏈式反應。將回收燃料送入這樣的反應堆會導致較重的超鈾元素（鈽 242、鋂和鋦）積累。擬議的解決方案是一種完全不同型別的核反應堆，在這種反應堆中，中子減速較少，因此能夠分解這些難以破解的原子。
在 1960 年代和 1970 年代，包括美國在內的主要工業國家投入了相當於今天 500 多億美元的資金，用於將這種快中子反應堆商業化，這種反應堆使用熔融鈉而不是水進行冷卻。這些裝置也稱為增殖反應堆，因為它們旨在產生的鈽多於消耗的鈽，因此可以更有效地利用鈾中的能量。人們期望增殖反應堆將很快取代傳統的水冷反應堆。但事實證明，鈉冷反應堆的建造和執行成本遠高於預期，而且問題多多，大多數國家都放棄了將其商業化的努力。
能源部現在提議開發和部署的正是這種失敗的反應堆型別——但其堆芯經過重新配置，成為淨鈽燃燒器而不是增殖器。美國將需要建造 40 到 75 座 1000 兆瓦的這種型別反應堆，才能以國家 104 座傳統反應堆產生的速度分解超鈾元素。如果每座新的鈉冷反應堆的成本比同等容量的水冷反應堆高出 10 億到 20 億美元，那麼所需的聯邦補貼將達到 400 億到 1500 億美元，此外還需要 1000 億到 2000 億美元用於建設和運營回收基礎設施。鑑於美國的預算赤字，這種計劃實際上不太可能實施。
如果建成一座全面的後處理廠（正如能源部直到最近還提議在 2020 年之前完成的那樣），但鈉冷反應堆沒有建成，那麼幾乎所有分離出的超鈾元素都將只是無限期儲存。這種尷尬的局面正是英國所遭遇的，英國的後處理計劃始於 1960 年代，已經產生了約 80 噸分離出的鈽，這是一筆遺留問題，安全處置將花費數百億美元。
後處理乏燃料，然後在後處理廠無限期地儲存分離出的鈽和放射性廢物，這不是一種處置策略。而是一種災難策略，因為它使分離出的鈽更容易被盜。在 1998 年的一份報告中，英國皇家學會（相當於美國國家科學院）在評論該國不斷增長的民用鈽儲備時警告說，“鈽儲備在某個階段可能被用於非法武器生產的可能性令人極為擔憂。”2007 年，第二份皇家學會報告重申，“繼續儲存非常危險的材料的現狀不是一種可以接受的長期選擇。”
顯然，謹慎的做法要求鈽不應以容易被盜的形式儲存在後處理設施中。事實上，常識表明根本不應該分離鈽。在長期儲存庫可用之前，乏反應堆燃料可以保留在產生它的核電站場址。
這種儲存是否危險？我認為，將一次透過系統產生的較舊燃料儲存在乾式儲存容器中，對周圍居民造成的現有核危害增加量可以忽略不計。裝在乾式儲存容器中的 10 噸 20 年燃料產生的 10 千瓦放射熱量，在加熱周圍空氣時透過對流帶走。有意造成傷害的恐怖分子可能會試圖使用反坦克武器或墜毀飛機的發動機刺穿這種容器，但在大多數情況下，只有少量放射性燃料碎片會散佈在有限的區域內。相比之下，如果附近反應堆的冷卻劑被切斷，其燃料會在幾分鐘內過熱並開始釋放大量汽化的裂變產物。如果裝有乏燃料的儲存池中的水流失，燃料棒的鋯包殼會在數小時內被加熱到燃點。從這個角度來看，乾式儲存容器看起來相當安全。
是否有足夠的物理空間來存放它們？是的，美國核電站有足夠的空間容納更多的容器。即使是最老的美國在運反應堆，其許可證也已延長了 20 年，而且新的反應堆很可能會在同一場址建造。因此，沒有理由認為這些儲存區域即將消失。當然，最終有必要將乏燃料移走並放置在其他地方，但沒有必要驚慌失措並採取後處理政策，這隻會使情況比今天更加危險和昂貴。
內華達州的恐懼和厭惡
美國放射性廢物的長期命運取決於當前尤卡山僵局如何解決。對該場址的意見分歧。監管要求很嚴格：能源部必須證明，這座山能夠充分容納廢物，以防止百萬年內場外劑量超標。
證明如此遙遠未來的安全性並非易事，但即使是設計糟糕的儲存庫的風險，也遠不及使核武器材料更容易獲取的政策的風險。從這個角度來看，很難理解為什麼 10 萬年或 100 萬年後當地放射性汙染的危險在美國引發瞭如此多的政治熱情，而不是持續存在的核武器迫在眉睫的危險。
部分問題在於內華達州的觀點，即里根政府和國會在 1987 年縮短了對其他候選場址的客觀評估，並將尤卡山指定為未來核廢料儲存庫的所在地，這是不公平的。為了克服這種看法，可能有必要重新開始選擇額外場址的審議。採取這樣的行動應該不難。事實上，《1987 年核廢料政策法》要求能源部長在 2010 年之前向國會報告是否需要第二個儲存設施。然而，鑑於能源部在處理放射性廢物方面的災難性記錄，也應考慮為此目的建立一個更加專業化和更少政治化的機構。
與此同時，乏燃料可以安全地以乾式容器儲存在反應堆場址。即使在將其放入地質儲存庫後，它也將在至少一個世紀內保持可取回狀態。因此，在技術或經濟環境發生劇烈變化的極不可能情況下，後處理的益處超過成本和風險，那麼該選項仍然可用。但現在就匆忙進行一項昂貴且可能具有災難性的事業，其依據是不確定的希望，即它可能會減輕核電行業帶來的長期環境負擔，這是毫無意義的。
編者注：本文最初的標題為“重新思考核燃料再迴圈”