ปัญหาของสถานภาพวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์โลก

วัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ (nuclear fuel cycle) หมายถึงระบบทางวิศวกรรมที่รวมเอากระบวนการและเทคโนโลยีต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับยูเรเนียมหรือทอเรียมเข้าไว้ด้วยกัน (ส่วนใหญ่เป็นยูเรเนียม สำหรับทอเรียมยังไม่ถึงขั้นเชิงพาณิชย์) นับตั้งแต่การสำรวจและการทำเหมืองยูเรเนียมหรือทอเรียม (exploration and mining) การทำยูเรเนียมหรือทอเรียมให้บริสุทธิ์ (purification) และการเปลี่ยนรูปยูเรเนียมหรือทอเรียม (conversion) จากสินแร่เป็นวัสดุระหว่างกลางกระบวนการชนิดเข้มข้นชนิดต่าง ๆ (concentrated process intermediates) การเสริมสมรรถนะยูเรเนียมหรือทอเรียม (enrichment) การออกแบบและการผลิตเชื้อเพลิง (design and manufacturing fuel) การหุ้มเชื้อเพลิง (cladding) และการบรรจุปลอกชิ้นส่วนเชื้อเพลิง (encapsulating the fuel element) และการประกอบเชื้อแท่งเพลิง (fuel assembly) การใช้เชื้อเพลิงภายในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (utilization) การเก็บรักษาเชื้อเพลิงใช้แล้ว (spent fuel storage) การแปรสภาพเชื้อเพลิงใช้แล้ว (reprocessing) เพื่อคืนสภาพวัสดุฟิสไซล์และวัสดุเฟอร์ไทล์ (recovery) และการประกอบเชื้อเพลิงใหม่ (refabrication)

หลายปีมานี้ ความสนใจต่อกิจกรรมด้านวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์เน้นหนักมาที่การพัฒนาพลังงานนิวเคลียร์อย่างยั่งยืน ซึ่งมีหลายประเด็นที่เกี่ยวข้อง เช่น ความห่วงใยต่อสิ่งแวดล้อมที่เพิ่มมากขึ้น โอกาสแพร่ขยายอาวุธนิวเคลียร์ (proliferation) ที่มีความเป็นไปได้สูง ทางเลือกการแก้ปัญหาเพื่อชะลอการใช้อาวุธนิวเคลียร์ และการปรับปรุงการอนุรักษ์ความรู้ให้ทันสมัย (updates on knowledge conservation) เพื่อสนองตอบประเด็นปัญหาเหล่านี้ หลายประเทศได้พัฒนานวัตกรรมใหม่ ๆ ของทั้งวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ และเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขึ้น ในปัจจุบัน การแปรใช้ใหม่พลูโทเนียมในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบน้ำมวลเบา (light water reactor หรือ LWRs) เป็นที่ยอมรับแล้ว และถือกันว่าการแปรสภาพเชื้อเพลิงใช้แล้ว เป็นส่วนบูรณาการหนึ่ง ของการพัฒนาเชื้อเพลิงนิวเคลียร์เชิงนวัตกรรม นอกจากนี้ ยังมีตัวชี้ที่สำคัญหลายอย่าง ว่ามีความสนใจที่เพิ่มขึ้นด้านเทคโนโลยีใหม่และเป็นนวัตกรรม

เทคโนโลยีเชิงนวัตกรรมและแนวคิดก้าวหน้ามากมายด้านวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ สามารถช่วยปรับปรุงและแก้ไขปัญหาบางประเด็น ที่คุกคามความยั่งยืน การป้องกันสิ่งแวดล้อม และการไม่แพร่ขยายอาวุธนิวเคลียร์ (non-proliferation) เช่น เทคโนโลยีการแยกและการแปรธาตุ (partitioning and transmutation technology) โดยใช้กระบวนการเคมี-อุณหภูมิสูง (pyro-chemical process) หรือกระบวนการขั้นสูง ซึ่งช่วยลดความเป็นพิษจากรังสีของเชื้อเพลิงใช้แล้ว ช่วยลดภาระการเก็บฝังใต้ธรณี (geological repository) ให้ต่ำที่สุด แนวคิดเชิงนวัตกรรมด้านอื่นก็มีเกี่ยวกับการใช้ทอเรียม (เมื่อทอเรียมถูกระดมยิงด้วยนิวตรอน สามารถแปรธาตุเป็นยูเรเนียม-233 ซึ่งจับยึดนิวตรอนได้ดีกว่ายูเรเนียม-235 และยูเรเนียม-238 จึงเกิดธาตุแอกทิไนด์น้อยกว่า) และเชื้อเพลิงชนิดเมทริกซ์-เฉื่อย (inert-matrix fuel ซึ่งธาตุแอทิไนด์จะถูกผสมกับโลหะที่ไม่สามารถเกิดเป็นธาตุแอกทิไนด์อื่น ๆ เพิ่มขึ้นได้อีก เช่น โลหะผสมแอกทิไนด์กับเซอร์โคเนียม) ทั้งสองกรณีนี้ก็ช่วยลดการเกิดพลูโทเนียมและธาตุแอกทิไนด์ปริมาณน้อยอื่น ๆ ลงได้ เทคโนโลยีและแนวคิดใหม่พวกนี้ ให้โฉมหน้าที่โดดเด่น และคุณลักษณะเฉพาะ ที่เพิ่มการต่อต้านการแพร่ขยายอาวุธนิวเคลียร์ เพิ่มพูนประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจที่ดีกว่า ความปลอดภัย การลดลงของการ การใช้ทรัพยากรอย่างมีประสิทธิผล ตลอดจนการอนุรักษ์สิ่งแวดล้อม เมื่อเดือนมกราคม ปี ค.ศ. 2003 กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา (US Department of Energy หรือUSDOE) ได้เสนอรายงานที่สำคัญฉบับหนึ่งต่อสภาคองเกรสของสหรัฐ ชื่อว่า การริเริ่มวัฏจักรเชื้อเพลิงขั้นสูง: หนทางในอนาคตสำหรับการวิจัยขั้นสูงด้านกรรมวิธีและการแปรธาตุเชื้อเพลิงใช้แล้ว (Advanced Fuel Cycle: The Future Path for Advanced Spent Fuel Treatment and Transmutation Research) รายงานฉบับนี้เป็นกลยุทธ์เกี่ยวกับการริเริ่มสำหรับวัฏจักรเชื้อเพลิงแบบปิด (closed fuel cycle) ซึ่งหมายถึงการแปรสภาพเชื้อเพลิงใช้แล้วและนำมาประกอบเป็นเชื้อเพลิงใช้ใหม่ เพื่อให้ใช้ทรัพยากรอย่างมีประสิทธิผลและลดปริมาณกากเชื้อเพลิงใช้แล้ว

การจัดการวัสดุนิวเคลียร์

การจัดการวัสดุนิวเคลียร์ เช่น พลูโทเนียม ยูเรเนียมสมรรถนะสูง ที่ผ่านการแปรสภาพใหม่ และที่ด้อยสมรรถนะ ตลอดจนธาตุแอกทิไนด์เล็ก ๆ น้อย ๆ นับเป็นความท้าทายที่สำคัญของวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ วัสดุเหล่านี้ผลิตขึ้นมา แปรสถาพ ขนส่ง และ/หรือเก็บรักษาไว้ในสถานประกอบการทางนิวเคลียร์ (nuclear facility) สำหรับใช้กับหลายทางเลือกและกลยุทธ์ทางวัฏจักรเชื้อเพลิง

ระหว่างปี ค.ศ. 1992-1993 มีการประชุมหลายครั้ง ถกเถียงถึงการจัดการอย่างรับผิดชอบต่อพลูโทเนียม ที่มีการสกัดและมีสต็อกเพิ่มขึ้นทุกที ผลคือ มี 9 ประเทศตกลงที่จะลดสต็อกพลูโทเนียมลง ในขณะที่พอถึงปี ค.ศ. 1999 ทุกฝ่ายต่างเห็นพ้องว่าการใช้พลูโทเนียมเป็นเชื้อเพลิงผสม (MOX) ได้เติบโตเต็มที่แล้วสำหรับรองรับพลูโทเนียมจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

ปัจจุบันประมาณการสต็อกของยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสูง (high-enriched uranium หรือ HEU) ทั้งโลกมีราว 1,900 ตันยูเรเนียม (MTU) ซึ่งร้อยละ 95 เป็นของสหรัฐอเมริกาและสหพันธรัฐรัสเซีย (Russian Federation) ซึ่งยินยอมลงนามตกลงกันได้เมื่อปี ค.ศ. 1996 โดยรัสเซียยอมลดปริมาณ HEU จากโปรแกรมทางทหารลง 500 MTU โดยการเจือจางลงเป็นยูเรเนียมสมรรถนะต่ำ (low-enriched uranium หรือ LEU) และส่งออกไปยังสหรัฐอเมริกา HEU 500 MTU นี้ เทียบเท่ากับยูเรเนียมธรรมชาติ 153,000 ตัน สามารถใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับพลังงานนิวเคลียร์ไปได้เป็นอันมาก สหรัฐอเมริกาเองก็ลดปริมาณ HEU ลงด้วย 145 MTU เพื่อนำมาใช้ด้านพาณิชย์

การศึกษาการใช้ทอเรียมเป็นวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์มีมาราว 30 ปี แต่มีขนาดเล็กกว่าวัฏจักรของยูเรเนียมและพลูโทเนียมมาก และพบว่ามีข้อที่เป็นประโยชน์หลายประการ ประกอบกับความห่วงใยของสาธารณะที่เพิ่มมากขึ้นต่อความเป็นพิษทางรังสี และกากที่มีอายุยาวนานที่เกิดจากการเดินเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณู นอกจากนี้ การสิ้นสุดสงครามเย็น ก็ยังสร้างความกังวลเรื่องการแพร่ขยายอาวุธนิวเคลียร์ อันเนื่องมาจากสต็อกขนาดใหญ่ของพลูโทเนียม (ใช้ผลิตอาวุธนิวเคลียร์ได้) ที่เกิดมาจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ของทั้งเอกชนและทางการทหาร การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ล้วนแต่กระตุ้นให้สนใจที่จะใช้วัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียม