最简单粗暴的方法当然是找个与世隔绝的地方将乏燃料刨坑埋了，这种核燃料的利用方式称为“一次通过”方式，但要保证数百万年的地质稳定和辐射安全，实在是难上加难。因此有必要对乏燃料进行处理，分离其中有用的物质并加以利用，同时实现放射性废物最小化，这种核燃料利用方式被称为“闭式燃料循环”，而乏燃料后处理技术是实现闭式燃料循环的重要保障。
根据后处理过程是否适用水相介质，后处理方法分为干法和水法。当前的主流工业后处理厂采取的是水法。
水法的典型代表是美国上世纪发明的PUREX流程，利用萃取剂将铀、钚选择性分离回收。PUREX的主要优点是废液少、费用低，安全性高。下图为PUREX的简易流程图。
PUREX流程示意图
除了以上两种主流方法外，科学家们还开发出快中子反应堆焚烧法或者利用ADS（加速器驱动次临界洁净核能系统）发射高能中子嬗变来直接消化掉乏燃料中的高放射性元素。下面将重点介绍新型钍基熔盐堆与其乏燃料后处理的特点。
烧钍的反应堆
自然界中，有两种能够作为裂变核燃料的天然元素，一个是大名鼎鼎的铀，另外一个对于大家可能稍微有点陌生，它的名字叫做钍。
中国最大的钍矿区——白云鄂博矿区
钍的“知名度”虽然比铀低，但是自然界中钍的储量却是要比铀的多得多，目前地壳中钍的探明储量约为铀的3至4倍。
与天然铀中含有0.7%易裂变同位素U-235和可裂变同位素U-238不同，自然界中的钍只有Th-232一种可裂变同位素，其本身不能作为核燃料，但是Th-232通过吸收中子生成的U-233却是性能非常好的易裂变核素。下图所示为钍铀转换链和铀钚转换链的核素演化示意。
钍铀转换链和铀钚转换链
通常，我们以Th-232到U-233的转换链为基础的核燃料循环称为“钍铀循环”，而以U-238到Pu-239的转换链为基础的核燃料循环称为“铀钚循环”。
从核废料的角度看，钍铀循环要比铀钚循环产生的锕系核素更少，乏燃料的毒性更小，是一种更加清洁的燃料循环方式。
压水堆、铀钚循环以及钍铀循环乏燃料锕系核废料放射性毒性随时间演化图
1.钍基熔盐堆
钍基熔盐堆（Thorium Molten Salt Reactor，TMSR）作为第四代反应堆核能系统的六大候选堆型之一，是实现钍铀循环最理想的反应堆类型。
一方面，熔盐堆可结合在线后处理技术，及时提取反应堆内生成的Pa-233并让其在堆外衰变生成U-233，以有效降低Pa-233的有害中子吸收，从而能够最大程度地利用钍；另一方面，熔盐堆钍铀循环产生的长寿命核素总量更少，放射性毒性更低。
下表所示为单位裂变能量产出下，不同堆型、不同燃料循环产生的锕系废物，经过不同存储时间后剩余的放射性剂量，对比熔盐堆的钍铀循环和快增殖堆钍铀循环，可以明显看到熔盐堆钍铀循环产生的锕系废料的放射性毒性更低。
单位功率产生的锕系废物的剩余年放射性剂量对比
2.钍基熔盐堆钍铀循环对燃料处理的要求
钍基熔盐堆使用的是液态燃料，其中核燃料以氟化物形式（ThF4、UF4或ThUFx）均匀溶解和分布在由LiF-BeF2组成的载体熔盐中，无须制作其他反应堆必须有的特定的燃料元件。这不仅降低了反应堆研制费用，更为重要的是，采用液态燃料的存在形式可以无需停堆抽取或补充燃料，易于进行在线的燃料处理和燃料循环，回收核燃料，分离裂变产物。
钍基熔盐堆的特征是一个堆配一个在线燃料处理设施，燃料处理的基本要求是及时（即“冷却”时间短）、在线（频繁重复）、小批量处理燃料盐，并快速循环纯化后的燃料盐。这就决定了熔盐堆燃料处理必须紧凑、简捷、快速、功能配套，具有快速处理能力。
3.钍基熔盐堆的燃料处理流程
TMSR燃料处理流程
钍基熔盐堆的燃料处理流程一般是这样的：
燃料熔盐在堆芯内一边燃烧发电一边生成废料，由反应堆流出后首先经过氟化挥发工艺段分离出核材料U，分离得到的UF6进入燃料重构。离开铀分离工艺段的熔盐进入载体分离工艺段，即通过减压蒸馏技术，回收载体盐LiF和BeF2。此时的残留物主要为Pa-233、Th和裂变产物，待其冷却衰变为U-233后，再次通过氟化挥发将生成的裂变材料U-233加以回收；然后利用电化学技术进行集中处理，从铀分离工艺段出来的残留物中回收可用的锕系元素（主要为Th），将分离出来的锕系元素处理后进入燃料重构，最终只剩余少量干法尾料及高放废物。
这种闭式循环流程的特点在于在线加离线的燃料处理，包括：在线处理压力可控；临堆循环，无运输风险；燃料利用率高，高放废物量小；燃料重构简单等。
结语
如何处理核废料确实是核能领域未来相当长时间需要面对的一个难题，但我们是知难而退因噎废食，将未来能源发展的机会让给其他国家，还是激流勇上攻克难关，把握住自己的命运不做21世纪的“贫油国”？
核能的发展就是一场科技革命与能源危机的马拉松竞赛，谁能抢占先机，谁就能保障自己国家人民未来数百年甚至数千年能源供给的安全。
参考文献：
[1]《经济日报》 2014-08-06 15版
[2] Dr. David LeBlanc. “Liquid Fluoride Reactors: A New Beginning for an Old Idea”. Google Tech Talk (2009)
[3] 江绵恒, 徐洪杰, 戴志敏. 未来先进核裂变能——TMSR核能系统[J]. 中国科学院院刊, 2012, 27(3):366-374.
[4] 揭秘全球各国核废料处理方法news.bjx.com.cn/html/20131126/475309.shtml
[5] 从核电站里卸出的放射性核废料，是如何进行核循环的？ news.163.com/16/0810/22/BU50MUUL00014SEH.html
[6] 美国如何让民众接受核电news.163.com/16/1103/17/C4VBMAUR000187VE.html
（文章首发于科学大院，上海应物所供稿。作者：斯奈普的钍 中国科学院上海应用物理研究所）
