使用废物为未来的反应堆提供燃料

2021-06-03 11:06    放射性废物  核燃料  乏燃料  核反应堆

我们建议将乏核燃料分为两种,一种可以作为新的核燃料回收利用,另一种可以符合适合立即浅埋的低放废物标准。解决延迟的废物管理问题将使更多种类的商业公司能够使用比目前更广泛的核反应堆。这些公司可以通过配备回收反应堆及其相关燃料的专业组织来管理废物。


具有单程燃料循环的大型轻水反应堆构成了世界上大部分核电船队,但它们的发电热力学效率低,具有需要长期储存的乏燃料的遗留问题,并且仅使用 1% 的铀开采为他们提供燃料。

自核时代开始以来,就已经有了针对这些缺点的技术解决方案。例如,快中子反应堆可以利用比热中子反应堆高得多的铀比例。但任何新计划必须不仅仅是更好的反应堆。无论反应堆是留在用户原地,还是在使用寿命结束时返回东道国,都需要处理其中的核残留物。

核能比其他能源更昂贵没有先验的理由。如果有效部署,它只需要很少的土地、材料或劳动力。当前的成本障碍主要与复杂的设计、高初始投资、处理长寿命废物的成本的不确定性、行业缺乏活力以及缺乏通过复制学习有关。

在国际上,技术开发的重点是新的反应堆设计,但业界需要记住,放射性废物及其相关的寿命被广泛认为是该技术的一个关键缺点。这种看法扼杀了对整个技术的投资。我们需要核能来满足一系列需求。它非常适合补充其他低碳能源,例如在太阳能效率低下的地方发电。更一般地说,反应堆储存的热量可用于提供额外的电力以平衡其他间歇性电源。

要实现这一点,它必须不需要消费者所在国家/地区的复杂技术能力,也不得遗留废物管理和监护问题。我们建议将乏核燃料分为两种,一种可以作为新的核燃料回收利用,另一种可以符合适合立即浅埋的低放废物标准。解决延迟的废物管理问题将使更多种类的商业公司能够使用比目前更广泛的核反应堆。这些公司可以通过配备回收反应堆及其相关燃料的专业组织来管理废物。



图 1:枢纽和卫星核电概念


图 2:无长期废物的可持续核电


图 3:随时间变化的放射性毒性危害

反应器类型

使用快中子反应堆和先进的燃料循环,有可能显着减少用于处置最终废物的深层地质处置库的足迹。这份未来核电蓝图旨在扩展这种方法。与此同时,新一代小型反应堆采用模块化设计,可以在工厂大量建造并部署在其他地方。

新设计可以结合固有的安全功能,从而简化设计本身以及相关的许可和监管流程。它们包括快中子反应堆的设计,与轻水堆相比,快中子反应堆在“裂变”燃料方面效率更高,因此可以更好地利用燃料并产生更少的长寿命废物。快中子反应堆最终将成为从其他反应堆回收自己的燃料和遗留的乏燃料的关键。

为安装而运输反应堆原则上也允许反应堆在部署后返回。用户因此可以享受核反应堆的好处,而不必处理长期危险材料的问题。

航空模型

几乎所有国家都能安全地享受航空带来的好处,但大多数国家仅依赖少数几个国家的特殊能力,例如建造飞机。需要为这些小型反应堆开发类似的模式。我们称之为“枢纽和卫星”核电(图 1)。少数组织充当枢纽,提供专业的核服务,卫星国家可以接收核设施并从中受益——不会在卫星站留下长期的危险遗产。

根据装置的大小,有三种可能的模式以这种方式运行核电。核燃料往返于在卫星位置建造和固定的反应堆之间运输,或者反应堆与内部燃料一起往返于现场运输,或者对于非常小的装置,完全集成的发电厂可以往返于卫星运输.

这些替代方案中的每一个都有已建立或计划的表现形式——例如英国和法国的核燃料后处理、俄罗斯的驳船式核电站以及用于空运到灾区的小型核电站的设计研究。

中心和卫星概念允许通过复制和大规模制造来节省成本,而废物管理的集中化意味着回收燃料和处置废物的复杂操作的成本可以分摊到大量反应堆上。

将废物作为资源进行管理

说“没有人知道如何处理核废料”是不真实的,因为有技术上可接受的解决方案(主要是在稳定的地质条件下深埋有工程障碍)。然而,由于废物在很长一段时间内的演变以及短期和中期的热量产生的残余不确定性,目前很少有乏燃料或高放废物 (HLW) 的长期处置。世界上大部分乏燃料都储存在水池中,这需要人工监督系统。其余大部分存储在风冷屏蔽存储桶中,这仍然需要未来的永久解决方案。

由于其长期存在,未解决的废物给组织带来了体制问题,组织必须长期承担废物的责任。很少有组织可以保证持续这么长时间。在美国,这个问题据说是由联邦政府通过承担乏燃料的长期责任来解决的,以换取向电力公司收取费用。迄今为止,政府已要求工业界付款,但并未解决问题。通过对问题承担责任,美国政府并没有强迫核电供应商寻找其他方法来解决他们的废物问题,而是维持了一次燃料循环,尽管存在缺陷,但仍可以容忍。

对核材料进行长期管理的最安全形式是根本不储存它们。这可以通过将废物分离以立即处理并通过“及时”程序回收其余部分来实现。

为了向公众展示适当的可持续性,核电厂(和支持活动)应在停止运行后尽快拆除或退役直至完成。除了符合代际公平的原则外,它还充分利用了现有的知识、专业知识和资源。

造成长期危害的燃料成分应回收为新的核燃料。铀(U-235 同位素中轻度富集或贫化)可出于物质平衡目的添加或从循环中移除。

核过程中不可还原的废物(主要是裂变产物而不是次要的锕系元素)只是乏燃料的一小部分,而这一部分也是产生大部分麻烦的热量的原因。当使用结束时,裂变产物部分本身可以被允许留在原处而无需进一步的人工干预。这是因为在物理遏制(例如罐)失效之前,危害将衰减到基本无害的水平。如果分离出发热部分,则可能会使用热量。

无论回收计划多么有效,它都无法消除所有废物。在美国术语中被描述为“低水平”的废物通常可以通过现有的浅埋设施进行管理。出于材料平衡目的,源自乏燃料的铀可以很容易地去除,然后再送回。

核物理要求

以这种方式回收燃料的核物理特性需要仔细处理,但原则上可以在热反应堆和快中子反应堆的方案中将回收燃料与浓缩或贫化铀结合起来。在快堆中满足核物理和材料平衡要求比热反应堆系统容易得多。

一个主要要求是平衡燃料的易裂变成分和可转化成分的比例。对于热反应堆,裂变比会随着反应堆的运行而不断下降,因此必须进行调整。对于快堆,该比率可能会增加或减少。快堆也可用于“焚烧”可能在燃料循环中积累的有问题的物质。

人们可能会认为,提高裂变与受精比的唯一方法是添加裂变材料,但提取铀也可以达到相同的效果(图 2)。出于安全考虑,这是更可取的。

支持回收计划早期阶段的关键材料是高含量低浓缩铀 (HALEU)。国际公认的标准将 U-235 的浓缩度限制为 20%,以防止非法用于核武器目的。大多数反应堆目前供应约 5% 的 U-235,但 HALEU(高达 20% 的浓缩)对于实现回收计划的材料平衡非常有用。美国能源部最近与 Centrus 能源公司签订了生产 HALEU 的合同。

分离回收价值

乏核燃料需要分为两部分:主要是裂变产物;以及铀、钚和次锕系元素的混合物。目标是分离裂变产物,使包装件的危害衰减遵循图 3 中的绿色曲线(而不是乏燃料本身的红色曲线)。在开发所需类型的分离器方面已经取得了很大进展。

早期核反应堆的设计通常没有与用于处理辐照燃料和处理废物的下游工厂的设计紧密结合。将乏燃料分离成铀、钚和高放废物的 PUREX 工艺具有广泛的适用性和商业成熟度,因为它可以适应许多不同的燃料类型。

几十年来,人们探索和开发了许多从辐照燃料中分离裂变和非裂变材料的方法,包括溶剂萃取、氟化物挥发性、等离子火焰、熔融卤化物电解精炼、分步结晶。

虽然较早的工艺如 PUREX 是为“纯”铀和钚产品设计的,但最近的工艺集中在分离充分分配的锕系元素流,以循环到快中子反应堆用于发电或微量锕系元素焚烧,裂变产物废物流用于近期废物管理。

辐照、后处理、远程制造和再循环到快堆的一体化是复杂的,但美国的 ANL 一体化快堆及其相关燃料循环和美国的 RIAR BOR60 反应堆及其相关燃料循环已经实现了这一点。俄罗斯联邦。这些操作尚未达到 PUREX 后处理的商业成熟度。

出现了两种主要产品,一种适用于核燃料,另一种是潜在有用的热源,但没有与之相关的长期危险。

分离的目的应该是使用“及时”做法来接收、加工和出口材料,以避免在存储中积累大量材料。按照工业标准,核反应堆中消耗的核燃料的物理量非常小。它的加工应适当灵活和小规模。

图 2 显示了如何将现有的乏核燃料和贫化铀纳入回收过程。SNF 中的绝大多数材料都具有作为回收燃料的潜在价值——只有一小部分 SNF 是真正的“废物”。

世界现有乏燃料(连同贫铀库存)的潜力至少代表了人类 100 年的总能源需求。

裂变产物废物的可持续利用

如果要利用裂变产物废物产生的材料或热量,则必须确定足够的需求。

俄罗斯将 Sr-90 用于放射性同位素发电机,但发射伽马的同位素能否用于发电机尚存疑虑。也建立了基于 Cs-137 的伽马辐照器,但规模不大。这些应用程序都不能充分利用电源。(应该指出的是,加工厂可能会提供 Np-237,它是 SNF 的一个组成部分。通过反应堆中的中子辐照,Np-237 可以转化为 Pu-238——用于放射性同位素发生器的优良放射性核素远距离太空探索。

最灵活的用途是偏远地区的区域供热。源可能高达10MW左右,适合几百人的小社区。如果裂变产物罐被放置在与地表进行热交换的地下水池中,由此产生的热水输出可以为这些偏远社区的家庭提供可靠和连续的区域供暖,类似于提供地热能,但在选择的位置而不是受限于可用性的地理限制。

为了安全起见,如果热交换系统发生故障,地下游泳池将需要一条通往周围地面的被动散热器路径。

将保持恒定的热量输出,通过定期向池中添加额外的裂变产物罐来补偿放射性衰变。在离开时,该设施将被允许移动到紧邻燃料池周围的地面进行被动热交换。大约一百年后,该设施将不再产生大量热量,并且在几百年后,任何放射性危害都将有效消失。

国际倡议

这里提出的想法并不新鲜,而是几乎自核工业诞生以来就一直存在的重点目标。

在美国,自卡特总统时代以来,核燃料回收只是间歇性发展。虽然由于国家实验室的力量在美国重新焕发活力,但其他国家(特别是俄罗斯和中国)正在进一步发展这种类型的分区计划。

英国在该领域具有历史性的能力,但随着 Dounreay 和 Sellafield 设施的关闭,这些能力已经耗尽。法国拥有非常重要的能力,托木斯克的西伯利亚化学综合体、季米特洛夫格勒的 RIAR 和俄罗斯周边的各种机构都积极作为其中一些想法的发展中心,并且他们拥有从事相关工作的技术人员和设施.

法国核研究机构 Commissariat a`l'e'nergie atomique (CEA) 于 2019 年 9 月表示,“在本世纪下半叶之前没有计划第四代反应堆的工业发展。” 需要大量的研发、开发和设计工作才能引入完整的第四代反应堆和燃料循环设施,包括那些具有足够短放射性衰变期的废物管理设施。这段发展时期将为使用能够满足整个循环技术要求和规范的快中子反应堆创建这样一个行业提供时间。然而,如果有提供足够的发展资源和产业赞助的倡议,没有什么可以阻止这个时间尺度的加速。

预计短期内全尺寸第三代反应堆(有时称为第三代 + 型)的增量改进,并且可能会提前部署新概念设计的中小型反应堆类型,例如 Moltex、GE-Hitachi、Terrestrial能源、ARC、Leadcold、NuScale、Holtec 等。

基于快中子通量的新概念设计通常旨在降低单位成本,并且可能成为制定未来核电蓝图原则的领导者。



深圳核博会

图为技术


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