变废为宝:未来核反应堆燃料展望

2021-06-21 08:58  来源:嘿嘿能源heypower    轻水反应堆  乏燃料  核燃料

我们建议将乏核燃料分为两类,一类作为新的核燃料进行回收,另一类是满足一定标准,可以进行浅埋处理的废物。废物管理问题已经多年没有得到妥善处理,一旦解决,将会有更多的商业公司使用核反应堆,相关企业会迅速崛起,开展核废料处理业务。


目前,世界上大部分的核电站是采用一次性燃料的大型轻水反应堆,其热力学发电效率很低,产生的乏燃料需要长期储存,并且利用了核燃料中1%的能量。

自核时代开始以来,已经有了应对上述问题的技术方案。例如,快中子反应堆的铀利用率可以远高于热中子反应堆。但是,我们需要的不仅仅是更好的反应堆,因为无论哪种反应堆,其核残留物都需要得到处理。

核电不应比其他能源更昂贵。如果部署得当,只需要很少的土地、材料和劳动力。目前的成本主要来源于复杂的设计、高额的初始投资、长寿命废物处理成本的不确定性、行业缺乏活力以及缺乏可复制模式。

在国际上,技术发展的重点是新的反应堆设计,但同时,放射性废物处置期限已成为另一个关键点。

我们需要核电来满足一系列的需求:它非常适合作为其他低碳能源的补充,例如,在太阳能效率低下的地方建设核电。反应堆储存的热量可以用来提供额外的电力,以平衡其他间歇性的电力来源。要实现这一点,就必须满足技术简单、废物管易处理这两个条件。

我们建议将乏核燃料分为两类,一类作为新的核燃料进行回收,另一类是满足一定标准,可以进行浅埋处理的废物。

废物管理问题已经多年没有得到妥善处理,一旦解决,将会有更多的商业公司使用核反应堆,相关企业会迅速崛起,开展核废料处理业务。

反应堆类型

使用快中子反应堆和先进的燃料循环,可能会大大降低用于终端废物处理成本,《未来核电蓝图》中讨论了该技术。同时,新一代的小型反应堆采用模块化设计,可以在工厂中大量建造并快速部署。

新的设计可以将安全功能纳入固有系统,从而简化设计及相关的许可和监管。其中包括快中子反应堆的设计,其燃料的“裂变”效率要比传统反应堆高得多,因此能更好地利用燃料,并比轻水堆产生更少的废物。快中子反应堆最终将成为回收其自身燃料和其他反应堆遗留的乏燃料的关键技术。

将生产好的反应堆运输到目的地并进行安装,原则上也允许反应堆在停用后运回返厂。因此,用户可以享受核反应堆的好处,而不必操心有害物质处理。

变废为宝

说“没有人知道如何处理核废料”是不对的,因为确实有技术上可行的解决方案(主要是在稳定的地质中用工程屏障深埋)。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发热不确定性,目前几乎没有对乏燃料或高放射废物(HLW)长期处置的实践。世界上很大一部分乏燃料被储存在池子里,这需要人为监督的系统。其余的大部分储存在空气冷却的屏蔽式储存箱中,仍然需要在未来有新的永久性解决方案问世。

由于其寿命长,未完全处理的废物造成了系统性风险,管理者必须对废物承担长期的责任,但很少有组织能延续那么长时间。在美国,这个责任据说是由联邦政府承担,并电力公司收取费用。目前,政府要求工业界付款,但并没有彻底解决这个问题。美国政府并没有推动核电供应商通过其他方式来解决废物问题,而是维持了一次性的燃料循环。尽管存在缺点,但还是可以容忍的。

对核材料进行长期管理的最安全形式是根本不把它们储存起来,而是将废物分离处理,并通过“及时”程序回收其余的废物来实现。

为了向公众展示可持续性,核电站应该在停止运行后很快拆除。造成长期危害的燃料的成分应被回收,并转换为新的核燃料。铀(轻度浓缩或贫化的铀235同位素)可以从循环中添加或移除,以达到物质平衡的目的。

核过程中产生的废物(主要是裂变产物,而非锕系等次要元素)只是乏燃料的一小部分,但这部分物质产生大量的热,是问题的关键所在。裂变产物本身可以允许就地处置,这是因为在物理安全壳失效之前,核废料将衰变到基本无害的水平。如果将能产生热量的部分分离出来,这些热量就有可能被利用。

无论回收计划多么有效,它都无法消除所有废物。术语中描述为“低水平”的废物通常可以通过现有的浅埋设施进行管理。出于物料平衡的目的,源自乏燃料的铀可以很容易地被移除,并重新输入到新的核燃料中。

裂变产物的可持续利用

如果要利用裂变产品废料的材料或产生的热量,那么必须确定足够的需求。俄罗斯将锶-90用于放射性同位素发电装置,但能否将伽马发射同位素用于发电装置值得怀疑。基于铯-137的伽马辐照器也已建立,但规模不大。这两种应用目前还不成熟。应该指出的是,加工厂将有可能提供镎-237,它是SNF的一个组成部分。通过在反应堆中的中子辐照,镎-237可以转化为钚-238,用于长距离太空探索的放射性同位素发生器的高级放射性核素。

最灵活的用途是对偏远地区供暖,该能源可能达到约10MW,适合几百人的小社区。如果将裂变产品罐放置在一个地下水池中,并与地面进行热交换,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持续的区域供暖,类似于地热能源,但在选择的地点不受限于地热条件。

为了安全起见,在热交换系统发生故障的情况下,地下水池需要一个备用的热汇,将热水引致地面。

这种热源热流输出稳定,通过定期向池中添加新的乏核燃料来补偿放射性衰变。到了后期,该甚至可以转移到地面上进行热交换。约一百年后,该设施将不再显著发热,几百年后,放射性危险将消失。

国际倡议

这里提出的想法并不新奇,而是自核工业成立以来就存在的。在美国,自卡特总统时代以来,核燃料回收断断续续的发展。在其他国家(特别是俄罗斯和中国),该项工作正在进一步发展。英国在这一领域曾经具备了很强的能力,但随着杜恩雷和塞拉菲尔德核设施的关闭,这些能力已消耗殆尽。

法国的核废料处理能力也很强,托木斯克的西伯利亚化工园区、季米特洛夫格勒的RIAR和周围的各种俄罗斯研究所也都在积极开展工作,他们拥有相关人才和设施。法国的核研究机构CEA在2019年9月表示,“在本世纪下半叶之前,没有开发第四代反应堆计划。”反应堆开发需要进行大量的研发设计工作,以便能够引入完整的第四代反应堆和燃料循环设施,包括使放射性衰变期缩短的废物管理能力。如果有一项倡议提供足够的资源和赞助,上述技术可能会加快发展。

在较短的时间内,预计全面的第三代反应堆(有时被称为第三代+类型)会逐步迭代改进,并且可能会有新型小型和中型反应堆进行早期部署,如Moltex、GE-Hitachi、Terrestrial Energy、ARC、Leadcold、NuScale、Holtec,等等。

基于快中子通量的新概念设计通常是为了降低单位成本,并可能成为建立《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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