美國能源部(DOE)新一輪研發(fā)資助主要支持一系列新技術(shù)，大幅減少新一代先進(jìn)核反應(yīng)堆產(chǎn)生的核廢料。

1、ONWARDS計(jì)劃

橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室正在與Orano FS合作開發(fā)模塊化廢氣處理系統(tǒng)。

作為一項(xiàng)旨在限制新一代先進(jìn)反應(yīng)堆產(chǎn)生廢物量計(jì)劃的一部分，DOE資助了近十幾個(gè)研究項(xiàng)目。

去年，DOE首次宣布了優(yōu)化核廢物和先進(jìn)反應(yīng)堆處置系統(tǒng)計(jì)劃，以確定和促進(jìn)先進(jìn)反應(yīng)堆核燃料(UNF)的回收、處置和相關(guān)保障技術(shù)。

該項(xiàng)目稱為“前進(jìn)”(ONWARDS)計(jì)劃，資助的項(xiàng)目主要是開發(fā)能夠解決先進(jìn)反應(yīng)堆燃料循環(huán)相關(guān)的核廢料，和相關(guān)的核廢料儲(chǔ)存，支持更安全、更可持續(xù)的國內(nèi)燃料儲(chǔ)備。

在最新一輪的資助中，DOE又向高級(jí)研究項(xiàng)目機(jī)構(gòu)能源(ARPA-E)計(jì)劃投入了3600萬美元。

2、受資助項(xiàng)目

通用電氣

RADMASS團(tuán)隊(duì)將有權(quán)進(jìn)入位于紐約州尼斯卡尤納的GE研究園區(qū)，開發(fā)其新的檢查技術(shù)，以支持燃料回收，從左到右為：首席科學(xué)家Bogdan Neculaes和資深科學(xué)家Uwe Wiedmann，他們專攻輻射物理和系統(tǒng)設(shè)計(jì);以及該項(xiàng)目的PI、材料科學(xué)家Andrew Hoffman(來源：GE Research)

在11個(gè)獲得資助的項(xiàng)目中，通用電氣全球研究公司獲得了近450萬美元的資金，用于開發(fā)一種用于核后處理設(shè)施的創(chuàng)新檢測(cè)技術(shù)。

該技術(shù)稱為材料分析安全保障共振吸收密度測(cè)定(RADMASS)，旨在解決美國不同儲(chǔ)存地點(diǎn)儲(chǔ)存的乏燃料問題。

RADMASS是一種無損評(píng)估技術(shù)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量和表征這種材料，以實(shí)現(xiàn)更具成本效益的再加工。

該項(xiàng)目的目標(biāo)是通過光子學(xué)和核建模，證明在非輻射環(huán)境中的概念驗(yàn)證，以證明RADMASS在高輻射環(huán)境(如核燃料后處理輻射安全殼室)中運(yùn)行的能力。

安德魯k.霍夫曼(Andrew K.Hoffman)博士(GE Research的材料研究科學(xué)家和該項(xiàng)目的首席研究員)說：“先進(jìn)核反應(yīng)堆概念上線，最令人興奮的因素之一是有機(jī)會(huì)優(yōu)化行業(yè)未來，尤其是如何回收燃料。隨著新先進(jìn)反應(yīng)堆概念創(chuàng)造了更多的回收機(jī)會(huì)，我們需要抓住時(shí)機(jī)，使核能成為一種更具吸引力的無碳能源替代品。”

泰拉能源

泰拉能源(Terra Power)還獲得了850萬美元，用于的項(xiàng)目旨在減少高溫下使用氯鹽的廢物量。

金屬、氧化物和鹽基反應(yīng)堆燃料廢物減少和/或基于氯化物揮發(fā)性的目標(biāo)，是調(diào)整氯基揮發(fā)性(CBV)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)鈾的高回收率。

通過這樣做，廢物量將大大減少。

泰拉能源表示，之前的工作已經(jīng)證明，從輻照氧化物燃料中回收了99%以上的鈾，因此有可能將儲(chǔ)存庫的負(fù)擔(dān)減少10-20倍。

這項(xiàng)工作將從替代UNF開始，并在可應(yīng)用于金屬、氧化物和鹽基反應(yīng)堆燃料的過程演示中，進(jìn)展到實(shí)際氧化物UNF。

泰拉能源總裁兼首席執(zhí)行官克里斯·勒維克(Chris Leveque)表示：“我們正在積極探索整個(gè)燃料循環(huán)的新解決方案，包括解決乏燃料問題的最佳方式。”

3、核廢料不再令人頭疼

新型磷酸鹽廢料

在ARPA-E資助300多萬美元資金的項(xiàng)目中，包括Citrine Information、太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室(Pacific Northwest National Laboratory)和北德克薩斯大學(xué)(University of North Texas)，他們將使用人工智能和模擬方法開發(fā)新型磷酸鹽廢料，顯著減少熔鹽反應(yīng)堆的儲(chǔ)存庫負(fù)擔(dān)。

該項(xiàng)目的目標(biāo)是快速開發(fā)磷酸鹽玻璃、陶瓷及其復(fù)合材料，以去除鹵化物，并更安全地固定熔鹽反應(yīng)器中的鹽廢物。

該項(xiàng)目希望最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)廢物形態(tài)的kg級(jí)概念驗(yàn)證，并證明與現(xiàn)有技術(shù)相比，廢物質(zhì)量負(fù)荷增加了六倍以上，廢物量減少了80%。

Citrine說，該提案還將使廢物處理的資本和運(yùn)營支出減少60%。

詹姆斯·薩爾(James Saal)博士(Citrine的外部研究項(xiàng)目總監(jiān)和首席研究員)說：“我們的ARPA-E計(jì)劃將核廢料制造、玻璃和陶瓷模擬領(lǐng)域頂尖專家的知識(shí)和能力，與我們的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法相結(jié)合，有望在短短三年內(nèi)設(shè)計(jì)出更高效、更廉價(jià)、更安全的廢物體，從而顛覆核廢料行業(yè)。”

模塊化廢氣處理裝置

Orano子公司Orano Federal Services(FS)將獲得220萬美元的項(xiàng)目資金，用于開發(fā)模塊化廢氣處理裝置。

“即插即用”裝置，將根據(jù)處理不同先進(jìn)反應(yīng)堆類型乏燃料時(shí)產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行定制，包括金屬燃料、TRISO燃料和熔鹽反應(yīng)堆液體燃料。

經(jīng)過優(yōu)化以有效捕獲受管制的放射性和非放射性廢氣，處理過程本身只會(huì)產(chǎn)生適合處置或衰變儲(chǔ)存的低放射性廢物。

首席研究員斯文·巴德(Sven Bader)博士將與橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)和太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)在廢氣處理方面進(jìn)行最先進(jìn)的研究和開發(fā)。

Orano FS總裁多蘿西·戴維森(Dorothy Davidson)表示：“先進(jìn)反應(yīng)堆將需要先進(jìn)的工藝來準(zhǔn)備其使用過的核燃料，以供再次使用。我們感謝有機(jī)會(huì)……與ONWARDS合作，支持下一代先進(jìn)反應(yīng)堆。”

4、研究案例

先進(jìn)反應(yīng)堆廢物流

在學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行的許多項(xiàng)目中，羅格斯大學(xué)新澤西州新不倫瑞克校區(qū)正在接受價(jià)值400萬美元的贈(zèng)款，用于開創(chuàng)先進(jìn)反應(yīng)堆廢物流，處理金屬陶瓷廢物體(PACE-FORWARD)項(xiàng)目。

該大學(xué)旨在提供一種簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展的方法，將多種廢物流(如金屬、鹽和碳)固定到單一、高密度、耐用的金屬陶瓷中。

該項(xiàng)目目標(biāo)是將任何潛在先進(jìn)反應(yīng)堆燃料循環(huán)產(chǎn)生的廢物，封裝成耐熱陶瓷和金屬復(fù)合廢物形式。

金屬陶瓷將把不銹鋼廢物作為初階段，封裝均勻分散在整個(gè)金屬基體中的陶瓷。最終出現(xiàn)固結(jié)，以減少孔隙度。

羅格斯說，這項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)將大大減少廢物流的處理，因?yàn)椴恍枰獮閱为?dú)的廢物流開發(fā)多種廢物流。

與輕水反應(yīng)堆技術(shù)相比，該過程還將使存儲(chǔ)庫占地面積減少約一個(gè)數(shù)量級(jí)。

他們補(bǔ)充說，它的設(shè)計(jì)適用于多種處理環(huán)境，與當(dāng)前的現(xiàn)有技術(shù)相比，預(yù)計(jì)還可以將生產(chǎn)、運(yùn)營和維護(hù)成本降低50%左右。

MATRICY項(xiàng)目

石溪大學(xué)(Stony Brook University)正在考慮將TRISO用作一種低廢物、可儲(chǔ)存的燃料(圖源：US DOE)

ARPA-E計(jì)劃資助的另一個(gè)學(xué)術(shù)項(xiàng)目是紐約石溪大學(xué)正在進(jìn)行的340萬美元矩陣工程TRISO緊湊型實(shí)現(xiàn)先進(jìn)反應(yīng)堆燃料循環(huán)(MATRICY)項(xiàng)目。

他們的提案集中在一個(gè)全面的系統(tǒng)方法上，通過提高燃料利用率和減少鈾負(fù)荷來顯著減少廢物負(fù)擔(dān)。

該方法考慮使用基于TRISO的微囊化燃料，將MgO(氧化鎂)作為低廢物和儲(chǔ)存庫就緒燃料形式。

MATRICY將設(shè)計(jì)TRISO燃料，以實(shí)現(xiàn)完整顆粒的解聚。同時(shí)，該項(xiàng)目將評(píng)估其作為最終廢物進(jìn)行長(zhǎng)期處置。

石溪小組將把反應(yīng)堆分析與一個(gè)程序結(jié)合起來，以制造和了解新燃料及其廢物的性能。他們的目標(biāo)是與當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)相比，實(shí)現(xiàn)核廢物減少一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

通用容器系統(tǒng)

與此同時(shí)，加州大學(xué)伯克利分校、勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和NAC國際正與“深度隔離”公司(Deep Isolation)合作，以超過360萬美元的ARPA-E資金開展UPWARDS項(xiàng)目。

考慮到設(shè)計(jì)安全(UPWARDS)的通用性能標(biāo)準(zhǔn)，和先進(jìn)反應(yīng)堆廢物體在鉆孔和采礦儲(chǔ)存庫中驗(yàn)收的容器項(xiàng)目，正在尋求為先進(jìn)反應(yīng)堆廢物流建立一個(gè)新的通用容器系統(tǒng)。

合作伙伴表示，這種新的容器將產(chǎn)生一種基本的廢物形式，從而將存儲(chǔ)、運(yùn)輸和處置之間存在的相互依存的約束解耦。

設(shè)計(jì)與當(dāng)前的干式儲(chǔ)存和運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施兼容，新的容器還將滿足“深度隔離”深孔解決方案的熱、體積和臨界廢物接受限制。

其目標(biāo)是通過將廢物包裝在小型容器中，將乏燃料和廢物管理的長(zhǎng)期成本降至最低，這些容器可以在現(xiàn)場(chǎng)或集中干燥儲(chǔ)存，運(yùn)輸?shù)降刭|(zhì)處置庫，并在不重新包裝的情況下進(jìn)行處置。

電解精煉設(shè)施投資

“深度隔離”還與另一個(gè)接受ARPA-E資助的團(tuán)體合作。

在俄克拉荷馬州領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)項(xiàng)目中，合作伙伴計(jì)劃在未來幾年內(nèi)將核燃料回收設(shè)施商業(yè)化。

該項(xiàng)目旨在使電解精煉設(shè)施的近期商業(yè)化，以關(guān)閉金屬燃料循環(huán)。該設(shè)施將為Oklo的金屬燃料反應(yīng)堆生產(chǎn)燃料，并關(guān)閉先進(jìn)的反應(yīng)堆燃料循環(huán)。

價(jià)值400萬美元的ARPA-E資金將使合作伙伴專注于用于回收核燃料的電解精煉設(shè)施的關(guān)鍵流程的工業(yè)化和自動(dòng)化。這將解決每個(gè)關(guān)鍵操作，并演示使用模擬燃料的端到端過程。該項(xiàng)目還將準(zhǔn)備設(shè)施申請(qǐng)NRC許可，并制定最終深孔處置庫處置過程中產(chǎn)生的任何廢物的計(jì)劃。

與無后處理基線相比，該技術(shù)有望減少一個(gè)數(shù)量級(jí)以上的廢物。

此外，其支持者聲稱，ONWARDS旨在推動(dòng)高性能廢物體的開發(fā)，同時(shí)將后端成本維持在1美元/ MWh的可接受范圍內(nèi)。

Oklo聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官雅各布·德維特(Jacob DeWitte)表示：“ONWARDS項(xiàng)目將建立在我們能源部的其他項(xiàng)目工作的基礎(chǔ)上，使Oklo能夠建立一個(gè)一流的燃料回收設(shè)施。商業(yè)規(guī)模的燃料回收設(shè)施將改變先進(jìn)裂變的經(jīng)濟(jì)模式。”

兩步氯揮發(fā)法

楊百翰大學(xué)(Brigham Young University)也在進(jìn)行一些較小的項(xiàng)目——兩步氯揮發(fā)法，用于從先進(jìn)反應(yīng)堆中再處理用過的核燃料。

所有這些研究項(xiàng)目都試圖通過限制先進(jìn)反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢物量來增加核能作為可靠清潔能源的部署和使用。

通過減少廢物和儲(chǔ)存問題，目標(biāo)是支持清潔能源基礎(chǔ)設(shè)施，并為核能的新時(shí)代鋪平道路。

事實(shí)上，DOE最近發(fā)布了一份供應(yīng)鏈報(bào)告，指出先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)的燃料開發(fā)和綜合廢物處理戰(zhàn)略，是支持進(jìn)一步部署核能的重要因素。

正如DOE部長(zhǎng)珍妮弗·格蘭霍姆(Jennifer M Granholm)所說：“開發(fā)新安全管理核廢料的方法，將使我們能夠用無碳核能為美國更多的家庭和企業(yè)供電。ARPA-E正是通過支持公司，以及研究下一代技術(shù)的大學(xué)來做到這一點(diǎn)的。”

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