保羅·戴(Paul Day),英國《Reuters Events》網(wǎng)站核能專欄編輯,將現(xiàn)代水冷堆乏核燃料后處理方面的文章做了整合,得出的結(jié)論是:現(xiàn)代核電機(jī)組卸出的乏核燃料高溫后處理技術(shù),有望以合理的成本,為下一代反應(yīng)堆提供適合美國國內(nèi)使用的核燃料,同時大幅減少剩余廢物的數(shù)量和毒性[1]。
美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室(ANL)的研究設(shè)施
水冷堆的燃料棒,只有約5%的鈾用于核裂變發(fā)電。卸出后稱乏(核)燃料(SNF),目前的通行實(shí)踐是在堆外長期“暫存”。這種SNF所含輻射毒性相當(dāng)高,需要衰變幾十萬年,才能對環(huán)境無害。
全球已生產(chǎn)將近40萬噸SNF,經(jīng)“濕法”[2]進(jìn)行后處理的不到三分之一,結(jié)果喜憂參半:體積減少了,但產(chǎn)生的材料有核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn);用作新的核燃料,成本遠(yuǎn)高于新開采的鈾。
目前,全球只有法國、英國、印度和俄羅斯有乏核燃料后處理廠,處理能力約為2000噸/年。
俄烏戰(zhàn)爭,美國確保國內(nèi)核燃料供應(yīng)成為“當(dāng)務(wù)之急”,有個研究項(xiàng)目似乎對目前正在研發(fā)的下一代核反應(yīng)堆寄予特別的希望。
美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室(ANL)的科學(xué)家,在上個世紀(jì)60年代初期的Ⅱ-實(shí)驗(yàn)增殖堆(EBR-Ⅱ)和后來的一體化快堆(IFR)項(xiàng)目期間,開始快堆乏核燃料再循環(huán)研究。
從EBR-Ⅱ快堆開始,阿貢擴(kuò)展的這項(xiàng)工作,開發(fā)出高溫冶金后處理工藝(又稱“干法”),用于氧化物、碳化物和其他先進(jìn)燃料堆內(nèi)閉路循環(huán)。
IFR是液態(tài)金屬冷卻快堆,后來用于發(fā)電并“銷毀”乏燃料。在研究期間,研究人員采用高溫冶金后處理工藝,即通過電化學(xué)反應(yīng),把所需的錒系元素與不需要的裂變產(chǎn)物分離,以便成為新的核燃料,入堆再循環(huán)。
ANL高溫冶金后處理處理工程部經(jīng)理克里斯塔·霍桑(Krista Hawthorne)說,“目前的重點(diǎn)是把高溫冶金后處理技術(shù)轉(zhuǎn)變至‘立即部署’狀態(tài)”。
高溫冶金后處理與電解提純
高溫冶金后處理,先回收水冷堆乏燃料的硬質(zhì)陶瓷氧化物芯塊,其中約95%是鈾,另外1%是長壽命放射性的錒系元素,其余是不可用的裂變產(chǎn)物。“后處理”就是把芯塊中的氧化物成分轉(zhuǎn)化為金屬。
接下來,將這些金屬熔入熔鹽桶內(nèi),通過電精煉,電流有選擇地熔解并再沉積鈾和其他可復(fù)用的元素,用于制造快堆可用的燃料。
乏燃料中4%的裂變產(chǎn)物不能使用,仍需通過永久儲存的方式加以處置。因?yàn)榇蠖鄶?shù)長壽命的同位素送去“再循環(huán)”了,因此裂變產(chǎn)物的輻射毒性在幾百年內(nèi)可衰變到天熱鈾的水平,與未經(jīng)處理、需要衰變幾千年的SNF相比短得多(見下圖)。
ANL“中試規(guī)模的干法后處理設(shè)施概念設(shè)計(jì)”
乏燃料組份的相對輻射毒性
今天,輕水堆仍然是美國核反應(yīng)堆的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),其原始的鈾燃料價(jià)廉且容易獲得,但快堆已接近示范階段,到這十年期末,商用、再循環(huán)燃料會成為常態(tài)。
通過核燃料再循環(huán)經(jīng)濟(jì)學(xué)的廣泛研究,阿貢國家實(shí)驗(yàn)室2018年的研究報(bào)告“高溫冶金后處理中試設(shè)施概念設(shè)計(jì)”[3]指出,精煉作為快堆乏燃料管理和再循環(huán)的實(shí)際解決方案是可行的。
在這項(xiàng)研究中,設(shè)計(jì)年再循環(huán)100噸乏燃料的系統(tǒng),基建總成本為3.98億美元,包括工藝設(shè)備和支持系統(tǒng)估算成本9300萬美元,設(shè)施成本3.05億美元。年產(chǎn)量擴(kuò)大到400噸,估計(jì)基建總成本9.11億美元,年運(yùn)行成本9000萬美元。
自從這項(xiàng)研究報(bào)告發(fā)布以來,阿貢一直在改進(jìn)設(shè)計(jì),使用最新的技術(shù)將它提高到商用可行水平。
霍桑說,“我們正在處理各方面的問題,比如把開發(fā)的某些下一代傳感器與過程控制整合在一起,以提高效率。正在考慮改進(jìn)產(chǎn)品收集方法,降低工藝過程成本,也在使用機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)等技術(shù)”。
阿貢正在開發(fā)電解提純爐的數(shù)字孿生(digital twin),從內(nèi)部開發(fā)的監(jiān)測傳感器獲取反饋,以便團(tuán)隊(duì)實(shí)時識別和響應(yīng)電解精煉條件改變。
她說,“我們正沿著這些方向努力,提高效率并朝著高溫冶金后處理工業(yè)化方向前進(jìn)”。
奧克勞公司(Oklo)也在“這條船上”
ANL和微堆開發(fā)商奧克勞公司一起工作,引起美國能源部(DOE)的注意。
今年8月,美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆(Jennifer Granholm),在阿貢實(shí)驗(yàn)室主任保羅·卡恩斯(Paul Kearns)的陪同下,一道參觀了奧克勞的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官雅各布·德威特(Jacob DeWitte)和首席運(yùn)營官卡羅琳·科克倫(Caroline Cochran)在阿貢的公司實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。
這家總部設(shè)在美國加州的開發(fā)商,已經(jīng)通過技術(shù)商業(yè)化基金(TCF)、ARPA-E OPEN和ARPA-E ONWARDS[4],與阿貢合作開發(fā)先進(jìn)的再循環(huán)技術(shù),獲得DOE三項(xiàng)、總計(jì)1150萬美元的競爭獎勵。
奧克勞公司還通過加速核能創(chuàng)新網(wǎng)關(guān)(GAIN)獲得贈款,用于在阿貢新的機(jī)械工程測試回路(METL)裝置上的液態(tài)金屬熱工流體實(shí)驗(yàn)研究。
該公司已獲得美國能源部的場地使用許可證,可在愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室(INL)科技園區(qū)建造首個核電裝置。據(jù)說該公司編制了首個先進(jìn)裂變堆許可證聯(lián)合申請,計(jì)劃于2025年建成美國首個商用先進(jìn)堆。
下一代快堆,如奧克勞公司的這個極光(Aurora)[5],依靠乏燃料再循環(huán)的核燃料支持,因此急需提供解決方案,實(shí)現(xiàn)核燃料閉路循環(huán)。
科克倫說,“現(xiàn)在,乏燃料是巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),僅‘暫存’就需要大量資金。如果有人付錢轉(zhuǎn)讓給我們,就能節(jié)約開支。即使免費(fèi),仍然經(jīng)濟(jì)、有益”。
她說,目前擔(dān)憂再循環(huán)的成本沒有根據(jù),特別是在下一代快堆,如奧克勞的Aurora、泰拉能源公司的Natrium或Moltex公司和Elysium公司的熔鹽堆換料的時侯(Aurora,20年后才換料)。
她說,“沒有真實(shí)的根本原因解釋,為什么應(yīng)該非常昂貴。關(guān)鍵是如何運(yùn)行和管理。核燃料是我們最大的單一成本。如果乏燃料能再循環(huán),就能比目前電網(wǎng)上的任何能源成本都要低”。
資料與注釋
[1] Paul Day, Pyroprocessing advances offer solution for fueling next-gen reactors, Reuters Events, Aug 24, 2022.
[2] “濕法”后處理:目前世界乏燃料后處理較成熟的技術(shù)是“濕法工藝”,也稱“PUREX工藝”。工藝過程復(fù)雜,而且因?yàn)榭梢苑蛛x出很純的钚,所以會帶來核擴(kuò)散問題。
[3] “高溫冶金后處理中試設(shè)施概念設(shè)計(jì)”:Conceptual Design of a Pilot-Scale Pyroprocessing Facility,待查。
[4] ARPA-E, Advanced Research Projects Agency-Energy:為廣泛的單個技術(shù)項(xiàng)目提供資金。通常,把這些項(xiàng)目組成圍繞公共技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)技術(shù)項(xiàng)目。所有ARPA-E計(jì)劃和項(xiàng)目都是在對潛在研究領(lǐng)域的技術(shù)和科學(xué)價(jià)值和挑戰(zhàn)進(jìn)行嚴(yán)格辯論的過程中創(chuàng)建的。
ARPA-E OPEN:ARPA-E除針對特定技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)資助機(jī)會外,還涉及能源相關(guān)的所有技術(shù),包括當(dāng)前投資組合之外的領(lǐng)域。目標(biāo)是支持具有潛在顛覆性的新技術(shù)在全能源應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。
ARPA-E ONWARDS:優(yōu)化發(fā)展核燃料和先進(jìn)堆處置系統(tǒng),目標(biāo)是推進(jìn)高性能先進(jìn)堆廢物形態(tài)的發(fā)展,同時保持優(yōu)異的核安全保障標(biāo)準(zhǔn)和全球后端成本在可接受的1美元/MWh的范圍內(nèi)。
技術(shù)商業(yè)化基金(TCF),The Technology Commercialization Fund :是個競爭性的實(shí)驗(yàn)室資助機(jī)會,旨在幫助美國能源部(DOE)國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)有前景的能源技術(shù)商業(yè)化。TCF由能源部技術(shù)轉(zhuǎn)型辦公室(OTT)管理,旨在促進(jìn)能源部設(shè)施、私營公司和其他將能源技術(shù)引入市場的實(shí)體之間建立更牢固伙伴關(guān)系的一系列舉措的一部分。
[5] 詳見:鏡清,奧克勞:一顆冉冉升起的“新星”《中國能源網(wǎng)》,2022-01-31.
責(zé)任編輯: 李穎