本报告对核燃料一次通过循环与闭式循环技术路线进行了全面的比较分析，重点聚焦最新量化数据，深入评估了成本、研发进展及市场前景。

1.技术原理

•1.1. 一次通过燃料循环 (Once-Through Fuel Cycle)

￮1.1.1. 核心原理 核燃料（主要为铀）在反应堆中仅使用一次。乏燃料未经化学后处理，经过中间贮存后直接作为高放废物进行最终处置。

￮1.1.2. 主要流程 铀矿开采 -> 提纯 -> 转化 (UF₆) -> 浓缩 -> 燃料制造 (UO₂) -> 反应堆辐照 -> 乏燃料湿式贮存 -> 乏燃料干式贮存 -> 深地质处置。

￮1.1.3. 技术特点

▪流程简单，技术成熟：是当前全球轻水堆核电站的主流选择。

▪核扩散风险相对较低：敏感材料（如钚）未被分离。

▪初期经济负担轻：后端成本主要集中在乏燃料贮存和最终处置。

▪铀资源利用率低：仅利用天然铀中约0.7%的可裂变同位素²³⁵U。

▪高放废物挑战：产生大量含有长寿命裂变产物和锕系元素的高放废物，需要超长期（数十万年）的管理和隔离。

•1.2. 闭式燃料循环 (Closed Fuel Cycle)

￮1.2.1. 核心原理 (后处理与再利用) 对乏燃料进行化学后处理，分离回收有用的核材料（如未燃尽的铀和反应堆产生的钚），将其制成新燃料（如MOX燃料、回收铀燃料），重新投入反应堆或快堆使用，以提高铀资源利用率并优化废物特性。

￮1.2.2. PUREX 后处理技术原理与流程 PUREX (Plutonium Uranium Reduction EXtraction) 工艺是目前全球唯一实现大规模工业应用的乏燃料后处理技术，基于液-液萃取原理，利用磷酸三丁酯 (TBP) 有机溶剂选择性分离铀和钚。

▪1.2.2.1. 基本原理 乏燃料在硝酸中溶解，使铀和钚成为硝酸盐。使用含TBP的有机溶剂与硝酸溶液接触，铀和钚优先进入有机相，而大多数裂变产物和次锕系元素保留在水相。

▪1.2.2.2. 关键步骤

1.首端处理：机械剪切乏燃料组件，将燃料棒切成短段。

2.溶解：在热硝酸中溶解燃料芯块，释放核素。

3.共萃取：用TBP溶剂萃取铀和钚。

4.铀/钚分离：通过化学调整（如加入还原剂使Pu从Pu⁴⁺还原为Pu³⁺），将钚反萃回水相，实现与铀的分离。

5.纯化：通过多级萃取或离子交换进一步去除杂质，提高U、Pu纯度。

6.尾端处理：将纯化的U和Pu转化为氧化物（UO₂, PuO₂）或其他适合燃料制造的形态。

7.废液处理：对萃取过程中产生的高放、中放、低放废液进行处理，高放废液通常进行玻璃固化。

▪1.2.2.3. 技术特点

•高效率与高选择性：能有效分离回收U、Pu，去污因子高。

•工业成熟：是唯一实现大规模商业运行的后处理技术。

•操作环境复杂：处理高放射性物料，需要远程操作和严格的辐射防护。

•化学环境严苛：使用高浓度硝酸，对设备材料要求高。

•废液种类多：除高放废液外，还产生大量中低放废液。

￮1.2.3. 再利用方式 回收的铀（再生铀）可再浓缩后制成再生铀燃料；回收的钚通常与贫化铀混合制成MOX (Mixed Oxide) 燃料。MOX燃料可在部分轻水堆中使用，但在快堆中的利用效率更高，且快堆与闭式循环（特别是嬗变）结合，能显著减少长寿命核素，进一步降低最终废物管理的负担。

•1.3. 两种循环方式的异同对比

特征

一次通过燃料循环

闭式燃料循环(含PUREX)

后处理/再利用

无化学后处理，乏燃料不用于再制燃料

对乏燃料进行后处理，分离回收U/Pu等，再制成MOX、回收铀等燃料。

资源利用率

低（约0.7%天然铀原子）。

可显著提高，配合快堆理论上可利用约99%的天然铀能量潜力。

废物管理

产生大量长寿命高放废物，需超长期（>10万年）地质处置。

高放废物体积和长期毒性相对降低（特别是锕系元素），需地质处置年限缩短（数百年到数千年）。但产生其他中低放废液和固废。

技术复杂性

流程简单，技术成熟度极高。

流程复杂，涉及高放射性化学操作，技术难度高，需要强大的研发和工程能力。

核扩散风险

较低，敏感材料（钚）未分离，在乏燃料中难以提取。

较高，涉及纯钚的分离、运输和储存，需要极其严格的国际监管和保障措施。

经济性

初期燃料循环成本较低，主要后端支出为贮存和最终处置库建设/运营。

后端成本（后处理、MOX制造）显著高于一次通过。全生命周期燃料循环成本目前通常较高。

发展重点

乏燃料贮存技术、最终地质处置库的选址、安全评估与建设。

后处理技术优化（如先进湿法、干法）、新型燃料（如MOX、金属燃料）制造、先进反应堆（尤其是快堆）研发与部署。

•共同点： 循环前端（铀矿开采到燃料制造）流程相似；最终都需要将无法再利用的放射性废物进行深地质处置。

2.成本比较

闭式循环的后端成本（后处理与燃料再制造）显著高于一次通过循环的乏燃料直接处置成本，是其大规模经济推广面临的核心挑战。

•2.1. 关键环节单位成本 (美元/kgHM)
根据印第安纳大学国家实验室(INL) 2023年报告和芝加哥大学2012年分析：

环节/工艺

单位成本(美元/kgHM)

备注

UOX 燃料制造

~400

用于轻水堆的普通铀燃料。

MOX 燃料制造 (成熟规模)

~865

基于480 MTHM/年产能估计，2017年美元，约为UOX燃料制造的2-3倍。

MOX 燃料制造 (高屏蔽需求)

1259

对于更高燃耗或冷却时间短的钚，需额外屏蔽和远程操作，2017-2020年美元。

MOX 燃料制造 (历史/范围)

2000

成本差异大，取决于工厂设计、规模、位置及假设。

MOX 燃料制造 (Wiley早期估计)

~23000

2012年文献中的保守估计，远高于实际工业规模成本。

PUREX 乏燃料后处理

~1000

基于当前工业规模运行数据的主流工艺成本估计。

PUREX 配套 MOX 燃料制造

~1500

指与后处理厂配套的MOX制造设施成本估算。

熔盐电解(Pyroprocessing) 后处理

~2700

一种先进的干法后处理技术，技术复杂，目前成本高于湿法PUREX。

熔盐电解(Pyroprocessing) 燃料制造

~1100

与熔盐电解配套的燃料制造环节，成本相对较低。

乏燃料直接处置

~416

将未经后处理的乏燃料封装后在深地质处置库中处置的单位成本。

后处理后废物处置(PUREX)

~200

PUREX后处理产生的高放废物玻璃固化体等处置成本，废物量显著减少（约35%），单位质量成本降低约65%。

后处理后废物处置(Pyro)

~100

熔盐电解产生废物量进一步减少，处置成本更低。

•2.2. 单位电力燃料循环成本 (美元/MWh)

￮一项针对高温气冷快堆 (GFR) 燃料循环的特定研究估算表明，在特定反应堆组合（LWR+GFR）配置下，闭式循环的燃料循环成本可能为 7.1 - 7.3 美元/MWh，低于该研究中一次通过循环的估算成本。这表明在特定先进堆型组合下，闭式循环可能具备经济竞争力。

￮美国曾通过对核电征收每千瓦时0.1美分 (1美元/MWh) 的费用来资助乏燃料项目，总计约260亿美元。这反映了后端管理（贮存和处置）是重要的长期成本构成。

•2.3. 深地质处置库总成本

￮法国 Cigéo 项目是当前国际上最具体的深地质处置库计划之一，其最新总成本估算为 261亿至375亿欧元 (约合 291亿至419亿美元，基于2012年价格)。该估算包含了：

▪建造和调试成本：约79亿至96亿欧元。

▪运营与关闭成本：约165亿至259亿欧元，预计运营期约120年。

▪已发生的研发成本：约17亿至20亿欧元。

￮该设施设计容量为8.3万m³，运行约100年，位于地下约500米深。历史估算随时间推移显著上涨，表明此类大型基础设施项目存在成本不确定性。

•2.4. 全生命周期成本总结
目前，由于高昂的后处理和再制造成本，闭式循环的全生命周期燃料循环成本通常高于一次通过路线。其经济性前景的改善主要取决于后处理技术的进步带来的成本降低、规模效应的实现、未来铀矿资源价格的上涨以及与先进反应堆（尤其是快堆）结合带来的燃料效率提升。

3.研发历史与投入

闭式循环技术，尤其是后处理和快堆，拥有悠久且投入巨大的研发历史，主要集中在全球少数核能大国。

•3.1. 关键技术研发里程碑

￮PUREX 工艺： 源于1940年代中期的美国曼哈顿计划，1954年在美国萨凡纳河工厂实现工业规模应用。自1970年代起，法国、英国、俄罗斯、日本等国相继建成并运行大规模商用后处理厂。

￮高温化学法 (Pyroprocessing)： 起源于美国阿贡国家实验室，主要目标是处理金属燃料和快堆燃料，回收锕系元素。韩国原子能研究院 (KAERI) 于2014年建成了该技术的示范设施。

￮先进湿法工艺： 法国原子能委员会 (CEA)、中国核工业集团公司 (CNNC) 等持续改进PUREX，研发了COEX、DIAMEX-SANEX、GANEX、rXA等流程，旨在简化工艺、减少废物、提高效率并增强防扩散性能。

￮快堆技术： 俄罗斯（BN系列）、中国（CEFR, CFR600）、法国、日本等国长期投入快堆的研发、建造和运行，视其为实现铀钚循环和嬗变长寿命核素的关键反应堆技术。

•3.2. 主要国家研发投入资金

￮美国： 历史上在PUREX和快堆有重要投入，其中计划建造的萨凡纳河MOX燃料制造厂 (SRS-MFFF) 项目，在预算从最初的6.2亿美元急剧膨胀至约 170亿美元 后最终被终止，体现了大型后端设施建设的巨大成本和风险。

￮法国： 在拉海牙 (La Hague) 后处理厂和梅洛克斯 (Melox) MOX燃料厂投入了数十亿美元级别的建设和升级费用。Cigéo 地质处置库的研发投入已达约 17亿-20亿欧元。

￮日本： 六所村后处理厂 (Rokkasho) 建设投入巨大且屡次延期，J-MOX 燃料厂最初预算约10亿美元，后续成本升至约 20亿美元，年运营成本高达约2.63亿美元。

￮俄罗斯： 泽列兹诺戈尔斯克 (Zheleznogorsk) MOX 燃料厂的投资约 96亿卢布 (约合1.3亿美元)。俄罗斯在快堆技术研发上的投入同样巨大。

￮中国： 对核能技术，特别是闭式循环相关技术的研发投入被描述为“非常显著”。已启动的钍基熔盐堆研发项目初期预算达 3.5亿美元。规划中的大型商用后处理厂和快堆项目预计将带来巨大投入。

￮其他： 韩国在高温化学后处理 (Pyroprocessing) 技术方面有持续投入。全球范围内，主要核能国家在先进燃料循环领域的研发和示范项目累计投入已达数十亿甚至数百亿美元级别。

4.研发单位及其成果量化

主要核能发展国家和相关机构在闭式循环设施建设和产能方面取得了具体的量化成果，但全球总产能相对集中。

•4.1. 主要乏燃料后处理厂年处理能力 (吨HM/年)
(HM： heavy metal，重金属)

国家

工厂名称

年处理能力(吨HM/年)

备注

法国

La Hague

~1700

世界最大商用LWR乏燃料后处理厂，持续稳定运营。

俄罗斯

Mayak (RT-1)

~400

主要处理VVER-440型反应堆乏燃料。

日本

Rokkasho (JNFL)

~800

设计/规划能力，建设多次延期，尚未全面商业运行。

英国

Sellafield (THORP)

~900 (已停运)

曾处理LWR乏燃料，2018年停运。

英国

Sellafield (Magnox)

~1500 (金属燃料)

处理英国石墨堆的金属燃料，已停运。

印度

~260

由多个小型后处理厂组成。

•4.2. 全球 MOX 燃料年产量及应用

￮全球商业 MOX 燃料的年总设计产能约为 480吨HM/年。

￮主要生产厂及产能： 法国 Melox 厂 (~195吨HM/年，持续稳定运营)，俄罗斯泽列兹诺戈尔斯克 MOX 厂 (~60吨HM/年，自2015年起为BN-800快堆生产燃料)，日本六所村 J-MOX 厂 (规划年产能 ~130吨HM/年，建设缓慢)。

￮全球累计已制造的 MOX 燃料超过 2000吨HM，已在逾40座 轻水堆和快堆中装载使用。

￮目前，MOX 燃料约占全球核电厂装载新燃料总量的 5%。

￮法国是 MOX 燃料的最大用户，约有 24座 轻水堆获得了使用 MOX 燃料的许可，MOX 燃料贡献了法国约 10% 的核电发电量，年消耗约180吨 MOX 燃料。

￮全球每年通过后处理回收的钚约11吨 用于制造 MOX 燃料，这约占乏燃料中理论可回收钚总量的30%。

•4.3. 中国闭式循环发展成果
中国在闭式循环领域取得显著进展，已建成兰州中试厂并掌握PUREX核心技术（具备后续提高至约36吨HM/年的处理能力）。目前正积极建设年处理能力200吨HM/年的示范厂并规划建设年处理能力800吨HM/年的首座商用后处理厂，该设计借鉴了法国拉海牙的技术经验。同时，配套建设年产20吨MOX的示范厂，并大力发展快堆技术（如CFR600等）以构建完整的闭式燃料循环体系。预计到2030年，中国累计产生的乏燃料量将达到约 10万吨HM，这对后处理和再利用能力提出了巨大的需求。

5.市场前景

一次通过循环目前仍占据全球核燃料后端市场的主导地位，但闭式循环在追求核能可持续发展和资源最大化利用的国家政策驱动下，呈现显著的增长潜力，其市场价值巨大。

•5.1. 影响市场前景的关键因素
能源和环境政策、后处理和快堆等技术的成熟度及经济性、核安全与防扩散风险、公众接受度以及铀资源长期供需预期等共同塑造着核燃料循环的市场格局。对有限铀资源的担忧以及实现核能长期可持续发展的战略目标是推动部分国家发展闭式循环的核心驱动力。快堆等先进反应堆技术的发展是闭式循环能否充分发挥其潜力的关键。

•5.2. 一次通过路线的市场前景

￮目前在全球核燃料后端市场中占据约90% 的份额 (2023年数据)。对于那些铀资源相对充足、优先考虑初期建设成本、或出于核扩散担忧的国家，一次通过仍是主流选择。

￮市场需求主要集中在乏燃料的湿式和干式贮存技术服务、设备供应以及深地质处置库的选址、安全评估、建设和运营相关服务。

￮挑战在于未来可能的铀资源价格上涨压力、日益严格的环境法规要求，以及寻找可接受的永久性地质处置库选址和获得公众支持。

•5.3. 闭式循环路线的市场前景

￮在明确将发展闭式循环作为国家战略的国家（特别是中国、法国、俄罗斯、日本等），存在显著的市场空间和增长机会。

￮全球后处理市场产值： 预测估值范围较广，当前市场估值约在25亿-45.3亿美元 之间。预计到2030-2033年，市场规模将增长至约 39亿-41亿美元，复合年增长率 (CAGR) 预计在 3.0%-8.4% 之间。

￮中国市场空间： 作为全球核电发展最快的国家，中国未来对闭式循环后端的需求巨大。预计到2030年，中国乏燃料后处理及相关市场总空间（包含服务和设备）可能达到 3000亿元人民币 (约合当时汇率约 410亿美元)，其中设备投资需求预计约 1527亿元人民币 (约合约 210亿美元)。这表明中国是全球闭式循环市场未来最重要的增长点。

￮尽管目前市场份额低于一次通过，但受战略驱动和技术进步影响，闭式循环预计将以更高的复合年增长率增长。

￮全球核燃料市场（包括前端和后端）整体规模巨大，2023年市场规模达 121.3亿美元，预计到2030年将增长至 202.1亿美元。俄罗斯和法国在全球核燃料及反应堆建设市场的竞争价值高达每年约920亿欧元，其中闭式循环相关技术是其核心竞争力的一部分。

￮挑战在于其高昂的初期建设和运营成本、复杂的技术维护、潜在的核扩散风险以及需要赢得持续的公众信任和接受。

￮未来的发展方向包括持续的技术创新以降低成本和提高效率、获得强有力的政策支持、与第四代反应堆（如快堆、熔盐堆）更紧密结合以实现更高的资源利用率和废物管理优化，以及加强国际合作。

6.总结与分析

1.成本结构性差异显著： 闭式循环的核心成本劣势在于高昂的乏燃料后处理和MOX燃料制造环节。MOX燃料制造成本（约865美元/kgHM）是UOX燃料（约400美元/kgHM）的2-3倍。PUREX后处理成本约1000美元/kgHM，先进的Pyroprocessing更高（约2700美元/kgHM）。尽管闭式循环能将最终需处置的高放废物量大幅减少至约35%，并降低单位处置成本（从416降至200美元/kgHM甚至更低），但后处理和再制造的总成本（约2500美元/kgHM或更高）远超乏燃料直接处置成本（约416美元/kgHM）。这是闭式循环大规模推广最主要的经济障碍。

2.巨额研发与建设投入： 发展闭式循环需要长期、持续且巨大的研发和设施建设投入。美国MFFF项目虽终止，但投入高达约170亿美元。法国Cigéo处置库总成本估算高达290-420亿美元级别。日本Rokkasho和J-MOX项目建设投入也高达数十亿美元且面临延期。主要核能国家在相关技术和设施上的累计投入已达数百亿美元，反映了其战略重要性但同时也提示了经济风险。

3.工业能力高度集中且中国快速崛起： 全球工业规模的乏燃料后处理和MOX燃料生产能力高度集中在法国（La Hague ~1700 tHM/y, Melox ~195 tHM/y MOX）、俄罗斯（Mayak ~400 tHM/y, Zheleznogorsk ~60 tHM/y MOX）、日本（Rokkasho规划800 tHM/y, J-MOX规划130 tHM/y MOX）等少数国家。全球MOX总设计产能约480吨HM/年。中国正快速建设和规划大型后处理厂（示范厂200 tHM/y，商用厂800 tHM/y）及配套MOX厂，目标构建自主闭式循环能力，以应对预计到2030年积累的约10万吨乏燃料。

4.市场潜力巨大但格局待变： 一次通过循环目前占据全球核燃料后端约90%的市场份额，主要需求集中在乏燃料贮存和处置。闭式循环目前市场规模较小（全球后处理市场估值约25-45亿美元级别），但受中国等国战略驱动，预计将以更高的复合年增长率增长。特别是中国，未来后端市场空间巨大，预计到2030年相关市场总空间可能高达410亿美元，成为全球闭式循环最重要的市场增长引擎。闭式循环的未来市场发展高度依赖于技术经济性的提升、强有力的国家政策支持以及与先进反应堆技术的协同发展。

参考文献

[1] Module D1-2 LWR Pelletized MOX Fuel Fabrication - INL (2023) - 印第安纳大学国家实验室关于LWR MOX燃料制造的模块报告
[2] Closing the Nuclear Fuel Cycle： Reprocessing - University of Chicago (2012) - 芝加哥大学关于核燃料循环后处理的分析报告
[3] Processing of Used Nuclear Fuel - World Nuclear Association - 世界核协会关于乏燃料处理的资料
[4] Comparison of nuclear fuel cycle technologies (Original Source for structure) - 核燃料循环技术比较
[5] Economics of Nuclear Power - World Nuclear Association - 世界核协会关于核电经济性的资料

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