核能作为重要的能源来源，在全球范围内发挥着重要作用。据统计，核能发电量约占全球发电量的9%，而在美国，这一比例更是高达19%。目前，美国共有94座商业核反应堆在运行，发电量接近97千兆瓦。然而，随着核能发电量的增加，乏燃料的管理问题也日益凸显。
截至2022年底，美国反应堆场地和独立乏燃料储存设施中的商业乏燃料(SNF)重金属总量已达到约91,000公吨。为了应对这一挑战，美国能源部(DOE)正积极选址、建造和运营深地质处置库，以最终处置这些乏燃料以及再处理过程中产生的高放射性废物(HLW)。
为了支持这一战略，美国能源部核能办公室内的乏燃料和高放射性废物处置办公室正在规划SNF和HLW的运输、临时储存和最终处置。
运输、储存和处置——及其相互依赖关系统称为综合废物管理系统 (IWMS)。每个都有自己的流程和步骤，共同努力实现管理 SNF 的共同目标。IWMS 可以看作是一个系统集合;它包括反应堆场地储存系统(湿式和干式储存)(就建模而言)、运输系统(铁路、驳船和重型卡车)、联邦综合临时储存设施 (CISF) 和处置系统(见图 1)。
图 1. 组成 IWMS 的系统及其相互依赖关系
为了向负责评估 IWMS 的决策者提供信息，该办公室下属的储存和运输办公室正在开发多种SNF管理工具，包括评估放射性运输的利益相关者工具(START)、统一数据库(UDB)、下一代系统分析模型(NGSAM)和STANDARDS等，这些工具广泛涵盖乏燃料运输;后端系统工程;数据存储和管理;以及从剂量、热量和临界性角度进行的 SNF 分析。
START是一个基于网络的地理空间决策支持工具，它可以帮助决策者规划SNF的运输路线。用户可以选择出发地和目的地，并定义首选的运输方式、路线标准和缓冲距离等参数。出发地可以包括核反应堆、大学研究反应堆和 DOE 设施等设施。目的地可以包括这些设施中的任何一个，以及地图上其他用户定义的点(前提是存在到该点的运输路线)。它类似于 Google 或 Apple 地图，经过微调以满足 SNF 路线和运输需求。用户定义首选的运输方式 - 铁路、驳船、重载卡车或它们的组合 - 然后选择路线标准，包括最小距离、最短时间或最小人口等因素。
该工具还允许用户输入首选和禁止的承运人，确定沿途的其他站点，并定义障碍以防止在特定位置创建路线。START的开发得到了太平洋西北国家实验室(PNNL)和3 Sigma Consulting LLC的支持，并经过定期更新以增强性能和新功能。
图 2. 从各个原产地(绿色气球)到美国地理中心的假设目的地(红色气球)的 START 路线示例。注意：路线仅供说明之用，并不代表计划中的 SNF/HLW 运输路线。
UDB则是一个用于存储SNF分析所需必要信息的数据库。它包含了干式容器、装配、经济、交通基础设施等多个属性的数据，并允许与其他安全或系统分析工具集成。UDB的数据大部分来自核燃料数据调查(GC-859)，公用事业公司可以使用基于Web的应用程序直接上传其数据。为了提高效率并简化流程，上传的数据中的任何错误都会实时标记，并可以在数据导出到UDB之前进行更正。
NGSAM是一个强大的分析工具，它可以帮助分析师收集成本和时间表信息，并研究各种废物管理方案的影响。NGSAM使用多种数据源，包括从UDB导入的容器和燃料相关信息、START生成的运输路线信息以及分析师提供的场景特定信息。该工具可以在个人台式电脑或服务器上运行，并支持多个场景的并行分析。
图 3.NGSAM 工具站点的登陆页面
STANDARDS则是一种集成式SNF分析工具，它提供了从反应堆中的SNF排放到最终的SNF处置的端到端解决方案。该工具允许分析师支持乏燃料系统和设施的设计、安全和许可相关活动，并包括自动化功能以执行耗竭和衰变热计算、临界性估计等核安全分析。
这些工具的开发工作得到了多个国家实验室的支持，包括阿贡国家实验室、爱达荷国家实验室、橡树岭国家实验室、太平洋西北国家实验室、桑迪亚国家实验室和萨凡纳河国家实验室等。这些工具代表了美国成功长期管理SNF的国家能力，并将在未来几十年内对核电发电的安全利用发挥关键作用。
目前，美国能源部的主要优先事项之一是使用基于同意的选址流程选址、建造和运营一个或多个联邦集中中间储存设施(CISF)。联邦CISF项目旨在将全国各地反应堆场址的商业SNF整合到一个中心位置。为了支持这一项目，上述IWMS评估工具将发挥重要作用，帮助决策者估算CISF的规模、计算清理反应堆场地的成本和时间概况、估算铁路基础设施需求等。
