当前美国的核废料研发

美国能源部(DOE)新一轮研发资助主要支持一系列新技术，大幅减少新一代先进核反应堆产生的核废料。

1、ONWARDS计划

橡树岭国家实验室正在与Orano FS合作开发模块化废气处理系统。

作为一项旨在限制新一代先进反应堆产生废物量计划的一部分，DOE资助了近十几个研究项目。

去年，DOE首次宣布了优化核废物和先进反应堆处置系统计划，以确定和促进先进反应堆核燃料(UNF)的回收、处置和相关保障技术。

该项目称为“前进”(ONWARDS)计划，资助的项目主要是开发能够解决先进反应堆燃料循环相关的核废料，和相关的核废料储存，支持更安全、更可持续的国内燃料储备。

在最新一轮的资助中，DOE又向高级研究项目机构能源(ARPA-E)计划投入了3600万美元。

2、受资助项目

通用电气

RADMASS团队将有权进入位于纽约州尼斯卡尤纳的GE研究园区，开发其新的检查技术，以支持燃料回收，从左到右为：首席科学家Bogdan Neculaes和资深科学家Uwe Wiedmann，他们专攻辐射物理和系统设计;以及该项目的PI、材料科学家Andrew Hoffman(来源：GE Research)

在11个获得资助的项目中，通用电气全球研究公司获得了近450万美元的资金，用于开发一种用于核后处理设施的创新检测技术。

该技术称为材料分析安全保障共振吸收密度测定(RADMASS)，旨在解决美国不同储存地点储存的乏燃料问题。

RADMASS是一种无损评估技术，能够准确测量和表征这种材料，以实现更具成本效益的再加工。

该项目的目标是通过光子学和核建模，证明在非辐射环境中的概念验证，以证明RADMASS在高辐射环境(如核燃料后处理辐射安全壳室)中运行的能力。

安德鲁k.霍夫曼(Andrew K.Hoffman)博士(GE Research的材料研究科学家和该项目的首席研究员)说：“先进核反应堆概念上线，最令人兴奋的因素之一是有机会优化行业未来，尤其是如何回收燃料。随着新先进反应堆概念创造了更多的回收机会，我们需要抓住时机，使核能成为一种更具吸引力的无碳能源替代品。”

泰拉能源

泰拉能源(Terra Power)还获得了850万美元，用于的项目旨在减少高温下使用氯盐的废物量。

金属、氧化物和盐基反应堆燃料废物减少和/或基于氯化物挥发性的目标，是调整氯基挥发性(CBV)参数，以实现铀的高回收率。

通过这样做，废物量将大大减少。

泰拉能源表示，之前的工作已经证明，从辐照氧化物燃料中回收了99%以上的铀，因此有可能将储存库的负担减少10-20倍。

这项工作将从替代UNF开始，并在可应用于金属、氧化物和盐基反应堆燃料的过程演示中，进展到实际氧化物UNF。

泰拉能源总裁兼首席执行官克里斯·勒维克(Chris Leveque)表示：“我们正在积极探索整个燃料循环的新解决方案，包括解决乏燃料问题的最佳方式。”

3、核废料不再令人头疼

新型磷酸盐废料

在ARPA-E资助300多万美元资金的项目中，包括Citrine Information、太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)和北德克萨斯大学(University of North Texas)，他们将使用人工智能和模拟方法开发新型磷酸盐废料，显著减少熔盐反应堆的储存库负担。

该项目的目标是快速开发磷酸盐玻璃、陶瓷及其复合材料，以去除卤化物，并更安全地固定熔盐反应器中的盐废物。

该项目希望最终实现设计废物形态的kg级概念验证，并证明与现有技术相比，废物质量负荷增加了六倍以上，废物量减少了80%。

Citrine说，该提案还将使废物处理的资本和运营支出减少60%。

詹姆斯·萨尔(James Saal)博士(Citrine的外部研究项目总监和首席研究员)说：“我们的ARPA-E计划将核废料制造、玻璃和陶瓷模拟领域顶尖专家的知识和能力，与我们的数据驱动方法相结合，有望在短短三年内设计出更高效、更廉价、更安全的废物体，从而颠覆核废料行业。”

模块化废气处理装置

Orano子公司Orano Federal Services(FS)将获得220万美元的项目资金，用于开发模块化废气处理装置。

“即插即用”装置，将根据处理不同先进反应堆类型乏燃料时产生的废气进行定制，包括金属燃料、TRISO燃料和熔盐反应堆液体燃料。

经过优化以有效捕获受管制的放射性和非放射性废气，处理过程本身只会产生适合处置或衰变储存的低放射性废物。

首席研究员斯文·巴德(Sven Bader)博士将与橡树岭国家实验室(ORNL)和太平洋西北国家实验室(PNNL)在废气处理方面进行最先进的研究和开发。

Orano FS总裁多萝西·戴维森(Dorothy Davidson)表示：“先进反应堆将需要先进的工艺来准备其使用过的核燃料，以供再次使用。我们感谢有机会……与ONWARDS合作，支持下一代先进反应堆。”

4、研究案例

先进反应堆废物流

在学术机构正在进行的许多项目中，罗格斯大学新泽西州新不伦瑞克校区正在接受价值400万美元的赠款，用于开创先进反应堆废物流，处理金属陶瓷废物体(PACE-FORWARD)项目。

该大学旨在提供一种简单、可扩展的方法，将多种废物流(如金属、盐和碳)固定到单一、高密度、耐用的金属陶瓷中。

该项目目标是将任何潜在先进反应堆燃料循环产生的废物，封装成耐热陶瓷和金属复合废物形式。

金属陶瓷将把不锈钢废物作为初阶段，封装均匀分散在整个金属基体中的陶瓷。最终出现固结，以减少孔隙度。

罗格斯说，这项先进的技术将大大减少废物流的处理，因为不需要为单独的废物流开发多种废物流。

与轻水反应堆技术相比，该过程还将使存储库占地面积减少约一个数量级。

他们补充说，它的设计适用于多种处理环境，与当前的现有技术相比，预计还可以将生产、运营和维护成本降低50%左右。

MATRICY项目

石溪大学(Stony Brook University)正在考虑将TRISO用作一种低废物、可储存的燃料(图源：US DOE)

ARPA-E计划资助的另一个学术项目是纽约石溪大学正在进行的340万美元矩阵工程TRISO紧凑型实现先进反应堆燃料循环(MATRICY)项目。

他们的提案集中在一个全面的系统方法上，通过提高燃料利用率和减少铀负荷来显著减少废物负担。

该方法考虑使用基于TRISO的微囊化燃料，将MgO(氧化镁)作为低废物和储存库就绪燃料形式。

MATRICY将设计TRISO燃料，以实现完整颗粒的解聚。同时，该项目将评估其作为最终废物进行长期处置。

石溪小组将把反应堆分析与一个程序结合起来，以制造和了解新燃料及其废物的性能。他们的目标是与当前最先进的技术相比，实现核废物减少一个数量级以上。

通用容器系统

与此同时，加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室和NAC国际正与“深度隔离”公司(Deep Isolation)合作，以超过360万美元的ARPA-E资金开展UPWARDS项目。

考虑到设计安全(UPWARDS)的通用性能标准，和先进反应堆废物体在钻孔和采矿储存库中验收的容器项目，正在寻求为先进反应堆废物流建立一个新的通用容器系统。

合作伙伴表示，这种新的容器将产生一种基本的废物形式，从而将存储、运输和处置之间存在的相互依存的约束解耦。

设计与当前的干式储存和运输基础设施兼容，新的容器还将满足“深度隔离”深孔解决方案的热、体积和临界废物接受限制。

其目标是通过将废物包装在小型容器中，将乏燃料和废物管理的长期成本降至最低，这些容器可以在现场或集中干燥储存，运输到地质处置库，并在不重新包装的情况下进行处置。

电解精炼设施投资

“深度隔离”还与另一个接受ARPA-E资助的团体合作。

在俄克拉荷马州领导的一个项目中，合作伙伴计划在未来几年内将核燃料回收设施商业化。

该项目旨在使电解精炼设施的近期商业化，以关闭金属燃料循环。该设施将为Oklo的金属燃料反应堆生产燃料，并关闭先进的反应堆燃料循环。

价值400万美元的ARPA-E资金将使合作伙伴专注于用于回收核燃料的电解精炼设施的关键流程的工业化和自动化。这将解决每个关键操作，并演示使用模拟燃料的端到端过程。该项目还将准备设施申请NRC许可，并制定最终深孔处置库处置过程中产生的任何废物的计划。

与无后处理基线相比，该技术有望减少一个数量级以上的废物。

此外，其支持者声称，ONWARDS旨在推动高性能废物体的开发，同时将后端成本维持在1美元/ MWh的可接受范围内。

Oklo联合创始人兼首席执行官雅各布·德维特(Jacob DeWitte)表示：“ONWARDS项目将建立在我们能源部的其他项目工作的基础上，使Oklo能够建立一个一流的燃料回收设施。商业规模的燃料回收设施将改变先进裂变的经济模式。”

两步氯挥发法

杨百翰大学(Brigham Young University)也在进行一些较小的项目——两步氯挥发法，用于从先进反应堆中再处理用过的核燃料。

所有这些研究项目都试图通过限制先进反应堆产生的废物量来增加核能作为可靠清洁能源的部署和使用。

通过减少废物和储存问题，目标是支持清洁能源基础设施，并为核能的新时代铺平道路。

事实上，DOE最近发布了一份供应链报告，指出先进反应堆技术的燃料开发和综合废物处理战略，是支持进一步部署核能的重要因素。

正如DOE部长珍妮弗·格兰霍姆(Jennifer M Granholm)所说：“开发新安全管理核废料的方法，将使我们能够用无碳核能为美国更多的家庭和企业供电。ARPA-E正是通过支持公司，以及研究下一代技术的大学来做到这一点的。”