核能约占全球电力的9%，占美国电力的19%。美国有94座在运的商业核反应堆，总装机容量略低于97吉瓦（电）。每座反应堆每18至24个月会更换部分核燃料。这些从反应堆中卸出的乏燃料（或称使用过的核燃料，SNF或UNF）会先在乏燃料池中存放几年，然后转移到干式储存设施中。
截至2022年底，反应堆场址和独立乏燃料储存设施中的商业乏燃料总量约为91,000公吨重金属。美国能源部（DOE）负责选址、建造和运营用于最终处置乏燃料及部分乏燃料再处理产生的高放废物（HLW）的深地质处置库。能源部核能办公室下属的乏燃料和高放废物处置办公室负责完成这一使命，正在规划乏燃料和高放废物的运输、临时储存和最终处置工作。
这三个主要支柱——运输、储存和处置——及其相互依存关系统称为综合废物管理系统（IWMS）。
每个支柱都有其自身的流程和步骤，共同致力于实现管理乏燃料（SNF）的共同目标。IWMS可以被视为一系列系统的集合；它包括反应堆场址储存系统（湿式和干式储存）、运输系统（铁路、驳船和重型货运卡车）、联邦综合临时储存设施（CISF）以及处置系统。
为了给负责评估IWMS的决策者提供信息，能源部储存与运输办公室（在乏燃料和高放废物处置办公室内）正在开发多个乏燃料管理工具，包括用于评估放射性物质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（以前称为UNF-ST&DARDS）等。这些工具广泛涵盖了乏燃料的运输、后端系统工程、数据存储和管理以及从剂量、热态和临界性角度对乏燃料进行分析。这些工具代表了美国成功实现乏燃料长期管理的国家能力。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、爱达荷、橡树岭、太平洋西北、桑迪亚和萨凡纳河国家实验室。
利益相关者工具
START是一个基于网络的地理空间决策支持工具，它使用ArcGIS服务器在起点和终点之间创建路线。START工具的开发工作由PNNL牵头，并得到3 Sigma Consulting LLC的支持。该流程始于用户选择起点，起点可以包括核反应堆、大学研究反应堆和能源部设施等设施。终点可以包括这些设施中的任何一个，以及地图上用户定义的其他点（只要存在通往该点的运输路线）。
该工具类似于谷歌或苹果地图，并经过微调以满足乏燃料的路线规划和运输需求。用户定义首选的运输方式——铁路、驳船、重型货运卡车或它们的组合——然后选择路线选择标准，包括最小距离、最小时间或最小人口等因素。用户还可以使用这三个标准定义加权路线逻辑。然后选择800米或2500米的缓冲区距离。缓冲区距离围绕START生成的路线。然后，用户可以选择输入首选和禁止的承运商、识别路线上的其他停靠点，并定义障碍以防止在特定位置创建路线。
START最初为用户提供一套初步结果，包括距离、旅行时间、铁路交叉口数量、隧道穿越次数以及沿线无事故剂量。该工具还提供其他结果，如沿线缓冲区的人口、人口密度、部落土地、环境敏感区、地方执法机构数量、消防站、教育机构、教养设施和医院。
START团队定期发布具有增强性能和新功能的新版本工具。验证和确认过程确保新版本能够产生预期结果，并且工具能够按预期运行。
统一数据库
UDB由PNNL维护，存储进行乏燃料分析所需的必要信息。它是与其他安全或系统分析工具（如STANDARDS和NGSAM）集成的强大且简化的工具。除了数据外，UDB还为每个值存储引用，便于查找包含原始值的文档。
UDB的大部分数据来自《核燃料数据调查表》（GC-859表），公用事业公司使用该表格向能源部标准合同管理办公室报告组件级乏燃料数据。然后对这些数据进行整理并导入UDB。为提高效率和简化流程，公用事业公司可以使用基于Web的应用程序直接上传其GC-859数据。公用事业公司上传的数据中如有任何错误，将实时标记，并在数据导出到UDB之前进行更正。
UDB存储的数据包括八个属性：干式储桶、组件、经济、运输基础设施、设施特征、联邦政府、场址和计算属性。每个属性都包含其他数据，如储桶尺寸、平均组件卸料燃耗、每个设施的运输方式等。本质上，UDB就像一个中央数据湖，包含执行各种乏燃料分析所需的所有信息。
下一代模型
NGSAM（下一代系统分析与模拟）是一个基于代理的模拟工具包，用于研究核燃料循环后端的“假设”场景。该工具可以在系统层面对多种乏燃料（SNF）和高放废物（HLW）管理场景进行分析，覆盖整个美国核电厂队伍。阿贡国家实验室主导NGSAM的开发工作。NGSAM基于国防部和联邦紧急事务管理署用于系统级物流建模的过程分析工具。
分析人员使用NGSAM来完成诸如收集场景的成本和时间表信息以及研究各种废物管理选项的影响等任务。在燃料循环后端，分析人员可以修改多个选项，包括每年运送的储桶数量、运输顺序逻辑、运输起始年份、中央独立乏燃料储存设施（CISF）的数量、设施每天的运行小时数、运输基础设施的可用性（储桶、铁路货车）、深地质处置库的放置能力以及等等。
这种灵活性使分析人员能够自由地模拟不同的废物管理系统（IWMS）架构和场景，并理解其影响。NGSAM使用多个数据源：从统一数据库（UDB）导入的储桶和燃料相关信息、START生成的运输路线信息以及分析人员提供的特定场景信息。系统分析人员可以在个人台式计算机上或阿贡国家实验室的服务器上运行NGSAM工具，该服务器有14个节点，可以同时运行14个NGSAM场景。
NGSAM可以针对美国反应堆场址的组件级乏燃料进行建模。它跟踪组件从反应堆场址卸料到在处置库中放置的全过程。它还可以对中间步骤进行建模，包括储存（湿式和干式）、运输和重新包装（如果场景需要）。
随着分析人员在IWMS中的推进，NGSAM向分析人员提供组件级数据，包括组件在乏燃料水池中的储存、组件从乏燃料水池转移到储存储桶以及储桶在铁路货车上的运输。感兴趣的信息可能包括每年干式储存的总重金属公吨数或组件数量、储桶的热负荷极限、中央独立乏燃料储存设施（CISF）库存、每次运输的铁路英里数等。
STANDARDS
STANDARDS是一个综合的乏燃料分析工具，其范围从反应堆中乏燃料的卸料到乏燃料的最终处置，为乏燃料分析提供端到端解决方案。该工具使分析人员能够支持乏燃料系统和设施的设计、安全和许可相关活动。橡树岭国家实验室和太平洋西北国家实验室参与了STANDARDS的开发工作。
STANDARDS包括自动化功能，能够从临界性、热和剂量角度对卸料库存进行时间表征。这些功能扩展到针对特定储桶的装载状态安全分析和结果可视化。该工具还可以纳入用户特定数据，为分析人员提供额外的灵活性。STANDARDS与UDB集成以满足其数据需求，并与SCALE代码套件集成以执行计算。
STANDARDS提供的一些核安全分析包括消耗和衰变热计算、临界性估算、装载状态储桶的包壳和表面温度计算以及装载状态储桶外的辐射剂量图。这些计算由各种SCALE模块执行，当提供有关乏燃料和储桶类型的基本信息时，它会生成输入文件，从而消除了分析人员单独开发这些文件的需要。
STANDARDS的潜在应用包括：
乏燃料水池中的衰变热管理。
确定乏燃料水池中用于储桶装载（干式储存）的组件。
为老化管理计划提供信息。
源项计算和剂量估算。
设计和许可联邦CISF。
运输和最终处置规划。
乏燃料管理工具
START和UDB为像STANDARDS和NGSAM这样的分析工具提供关键信息，这些工具用于深入了解IWMS，以支持美国能源部（DOE）的乏燃料处置战略。
该项目的一个关键优先事项是使用基于同意的选址过程来选址、建设和运营一个或多个联邦CISF。联邦CISF项目的目标是将全国的商业乏燃料从反应堆场址集中到一个中心位置。2024年5月，美国能源部批准了联邦CISF的任务需求声明（关键决策0或CD-0）。下一阶段是批准替代方案选择和成本范围，有时称为关键决策1（CD-1），这需要几项技术评估。使用这些IWMS工具支持CD-1和其他未来需求的潜在分析可能包括：
估算CISF的规模，以满足美国核管理委员会的年度剂量限制（10 CFR 72.104）。
计算清理反应堆场址的成本和时间概况。
估算完成运输任务所需的铁路基础设施。
从运输角度探讨储桶和装载概况的可行性。
制定环境影响报告书。
规划运输任务和利益相关者参与。
上述IWMS评估工具是乏燃料分析和管理的重要组成部分。这些工具通过新数据、集成、改进的用户体验和新功能不断更新，以满足利益相关者和项目不断变化的需求。它们代表着乏燃料库存管理方面的国家能力，具有长期意义。鉴于预计未来几十年核能发电的需求将增加，维护和改进乏燃料管理工具将是安全利用核能潜力的关键组成部分。
