美国核废料中有足够的能源通过快堆提供100年的电力

2022-06-06 08:48    核燃料  美国核电  核能利用

美国的核废料中有足够的能源为整个国家提供100年的电力,这样做可以帮助解决管理乏核废料这一棘手和政治上令人担忧的问题。这是美国爱达荷州国家实验室的副实验室主任 Jess C Gehin的研究成果,爱达荷州国家实验室是美国首屈一指的能源研究实验室之一。


美国的核废料中有足够的能源为整个国家提供100年的电力,这样做可以帮助解决管理乏核废料这一棘手和政治上令人担忧的问题。这是美国爱达荷州国家实验室的副实验室主任 Jess C Gehin的研究成果,爱达荷州国家实验室是美国首屈一指的能源研究实验室之一。

将核废料转化为能源所需的技术被称为核快速反应堆,已经存在了几十年。出于政治和经济原因,该技术从未在商业规模上开发过。现在,通过能源电网脱碳来应对气候变化的紧迫性越来越大,核能已成为清洁能源的一部分。因此,核快速反应堆再次受到认真的审视。

核能专家Brett Rampal说:“对我来说,感觉快堆技术比以往任何时候都更真实。”2007年,他在佛罗里达大学完成了关于该技术研究的一个课题,还清楚地记得他的教授们当时都在争论这项技术的未来。

经过验证的技术

据美国核监管委员会发言人Scott Burnell称,美国55个核电站有93座商业核反应堆,其中26个正处于退役进程中。在美国运行的所有核反应堆都是轻水堆设计。在轻水堆中,铀-235燃料为裂变反应提供动力,其中原子核分裂成更小的原子核并释放能量。能量加热水,产生蒸汽,用于为发电机供电和发电。

核裂变反应会留下放射性废物,必须小心处理。美国约有80,000公吨旧燃料来自轻水核堆,现有的核电站每年新增约2,000吨乏燃料。但在轻水堆运行其由铀-235供电的反应堆后,剩余部分仍有巨大的能源潜力。Gehin在接受采访时表示:“从轻水反应堆中,我们从地下开采出来的铀中,使用了从地下挖出的铀中一半的能量。”“如果通过快速反应堆回收燃料,可以获得大部分能量。” 快堆不会减慢裂变反应中释放的中子,更快的中子会产生更有效的裂变反应。Gehin说:“快中子反应堆可以更有效地将以乏燃料为主的铀-238转化为钚,这样就可以实现裂变。”

在美国,快速核反应堆的技术已经存在了五十多年。一家名为EBR-II的快速反应堆工厂于1958年开始建造,并于1964年至1994年运营,直到国会停止资助。Gehin表示:“我们在现场运行了EBR II反应堆30年,这是一项非常安全的技术。该技术的所有基础都已得到证实。”虽然快速反应堆将减少核废料的数量,但不会完全消除。仍然有废物需要处理,但乏燃料数量可以大大减少。

为什么快堆从未实现规模应用

在上个世纪中叶,核能被视为最终耗尽有限化石燃料供应的解决方案。与此同时,有人担心没有足够的铀来为美国需要的常规核反应堆提供燃料。Gehin表示,开发快速反应堆可以解决这两个问题:它们产生大量能源,只使用少量的铀燃料。但后来情况变了。“我们开始发现实际上有相当多的铀。因此,没有必要尽可能有效地使用乏燃料“。

Gehin说,然后,整个核能开始失宠,这主要是因为1979年宾夕法尼亚州三英里岛的核事故。此外,经济竞争性一个因素。煤炭,以及后来的天然气,仍然丰富而便宜。快速反应堆通常被认为比传统的轻水反应堆更昂贵,使其成为一个没有吸引力的投资领域。

2022年由于俄罗斯在乌克兰的战争,能源价格飙升,以及越来越多的公众要求转向不排放温室气体的能源,核能重要性正在再次显现。Gehin说,与此同时,科学家正在考虑重新设计快速反应堆技术,使其更具成本效益。

目前,俄罗斯是唯一一个使用快速反应堆技术发电的国家,印度和中国也有计划在未来建造商用快速反应堆。在2019年,美国能源部宣布正在建造多功能试验反应堆,但没有在2022财政年度的总括融资法案中得到资助。但初创公司Oklo和TerraPower以及能源巨头Westinghouse正在研究快速反应堆技术。

私营公司正在努力创新和商业化快速反应堆设计,但也面临重大的基础设施障碍。在核废料可用于快速反应堆之前,必须经过后处理。目前,只有俄罗斯有能力大规模做到这一点。Gehin说,法国也有回收废旧核废料的能力,但通常将其回收燃料放回现有的轻水反应堆中。

Gehin表示,目前,爱达荷州国家实验室可以为研发重新加工足够的燃料,但不会更多。将快速反应堆技术商业化的私营公司正在推动国内燃料供应链的发展。

为快速反应堆提供燃料的另一种选择是从零开始制造HALEU(即高检测低浓缩铀),而不是通过回收核废料。在传统反应堆使用铀浓缩高达5%时,HALEU的铀浓缩高达20%。Gehin表示,直接生产HALEU比回收废弃物更容易,但最终,更便宜的选择将成为赢家。俄罗斯目前是唯一一个有能力在商业规模上制造HALEU的国家。



图为技术

深圳核博会

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