美国医用钼工厂的核聚变计划

2023-01-26 15:02  来源:嘿嘿能源heypower    钼-99  核工程与核技术  核聚变

在美国威斯康辛州中南部历史悠久的小镇詹斯维尔,有一座大型混凝土和钢结构建筑正在建成,该建筑物名为Chrysalis。


在美国威斯康辛州中南部历史悠久的小镇詹斯维尔,有一座大型混凝土和钢结构建筑正在建成,该建筑物名为Chrysalis。

1、钼-99

Chrysalis将容纳八台中子发生器,初创公司SHINE Technologies将使用这些发生器生产钼-99。

作为医用放射性同位素锝-99的前体,钼-99每年用于数千万次诊断程序,主要用作放射性示踪剂。

Chrysalis的核心将是高通量中子发生器,由SHINE的姊妹公司Phoenix提供。

加速器使用氘氚聚变过程产生中子,进而在含水低浓缩铀靶(19.75%的铀-235)中引发亚临界裂变反应,产生钼-99。

“据我所知,这将是人类有史以来对融合技术最大的有益利用,”SHINE的创始人兼CEO Greg Piefer说,“这对我们来说很令人兴奋。”

Piefer说,运行时,Chrysalis每年将生产约2克钼-99,足以治疗约2000万患者。

根据《科学美国人》(Scientific American)当年的一份报告,2017年,在北美,Tc-99m放射药物的成本约为每剂20至25美元。

2、Chrysalis工厂

2016年2月,SHINE从核管理委员会(NRC)获得了Chrysalis大楼的施工许可,该公司于2019年5月在43,000平方英尺的设施上破土动工。

NRC目前正在审查SHINE根据10 CFR 50《生产和利用设施的国内许可》运营生产设施的申请。

Piefer预计许可证将于2023年晚些时候颁发。

30年的经营许可证,将允许SHINE每周生产8200个6天居里的钼-99。

6天居里是指钼-99离开加工厂六天后剩余放射性的测量。

钼-99的β衰变半衰期为66小时,因此必须不断生产以满足需求。

Piefer表示,SHINE预计产量将达到一半左右,但仍将满足全球约40-50%的同位素需求。

运营许可证还允许SHINE每周生产多达2,000 Ci的氙-133和碘-131。

SHINE正在采用四阶段的方法来扩大Chrysalis的运营,在前三阶段,八个中子发生器(称为辐照装置)依次投入生产钼-99,第四阶段将增加氙和碘的生产。

Piefer表示,分阶段的方法将使公司能够最大限度地减少启动复杂性,并在所有机组安装之前开始运营。

他说:“安装所有八个(辐照装置)然后开始运行不是非常合理的。”

他补充说,公司将在大约一年内迅速完成所有装置的各个阶段安装。

当SHINE于2019年向NRC提交其第50部分经营许可证申请时,预计将于2021年让辐照装置上线,并于2022年开始商业化生产钼-99。

然而,这一时间表被推迟了三年之久。

尽管该公司仍预计第一阶段建设将在5月前基本完成,但出于“高度谨慎和保守”的考虑,该公司于2022年4月要求NRC将该建筑的施工期限从2022年12月延长至2025年12月。

在要求延期时,SHINE注意到了设计和建造首个同类同位素生产设施的挑战。

Piefer还将进度延误归因于新冠肺炎疫情。

他指出,特别是非施工人员在家工作,无法实时连接造成了困难。

与许多其他行业一样,SHINE也受到供应链问题的困扰。

Piefer表示:“就关键供应链的成本和进度而言,即使是像配电盘、电线和管道这样的简单产品,也都受到了影响。这将东西推后,使它们变得更昂贵。”

3、钼-99市场

满足患者对钼-99需求的挑战已被广泛报道。

此前,美国供应的大部分钼-99是由加拿大国家研究通用反应堆生产的,该反应堆在2016年停止运行之前,生产了全球约40%的同位素供应量。

从那时起,大多数钼-99由澳大利亚(OPAL)、比利时(BR-2)、波兰(MARIA)、捷克(LVR-15)、荷兰(HFR)和南非(SAFARI-I)的研究反应堆生产,其中许多反应堆自20世纪60年代以来一直在使用。

这使得供应面临因意外事件而中断的风险。

2022年1月,在反应堆束流管冷却系统中检测到水泄漏,影响了钼-99和镥-177的生产后,HFR关闭,其生产的钼-99约占全球供应量的60%。

2022年10月,机械故障导致比利时BR-2计划重启推迟,也导致钼-99和碘-131短缺。

为了确保钼-99在国内的可靠供应,同时也减少对高浓缩铀使用的扩散担忧,美国国会于2012年通过了《美国医用同位素生产法》,美国国家核安全局与私营公司签订了50/50成本分担合作协议,以支持使用低浓缩铀生产钼-99。

NNSA目前与SHINE以及位于威斯康星州的NorthStar Medical放射性同位素公司签订了合作协议。

NorthStar目前通过在密苏里大学研究反应堆辐照和处理钼-98靶(中子捕获),在不使用铀的情况下生产钼-99。

去年11月,该公司完成了一个新设施的建设,该设施将使用电子束加速器来诱导浓缩钼-100的光嬗变(中子敲除)。

与此同时,Niowave使用低浓缩铀改进的Cintichem工艺从裂变铀靶中收获和纯化钼-99。

在美国以外,BWX Technologies的子公司BWXT Medical正在与安大略发电公司合作,在加拿大安大略省的达林顿核电站生产钼-99。


达林顿核电站

运行后,它将是世界上唯一的商用动力反应堆钼-99来源。

BWXT的方法不是使用铀作为起始材料,而是辐照天然钼靶,通过中子捕获产生钼-99。

钼-99将用于该公司的专利Tc-99m发生器,该发生器目前正在接受美国食品和药物管理局的审查。

对于Piefer而言,SHINE利用低浓缩铀生产钼-99的聚变裂变方法优于使用嬗变的方法。

他说:“从与我们的客户交谈中可以明显看出,钼的具体活性很重要。当你开始使用钼-98时,你的起始材料很少转化为最终产品。”

由于铀与钼的化学性质不同,Piefer表示,将所有源材料剥离并分离出裂变产生的钼-99,比试图从化学性质相同的钼-98中提取钼-99更容易。

根据Piefer的说法,嬗变产生的稀释成品比裂变产生的钼-99少10,000倍。

同样,Piefer表示,通过使用其中子发生器,该公司避免了建造常规裂变反应堆的高昂成本。

他说:“与新反应堆相比,由于采用了基于聚变的发动机,我们的资本成本要低得多。我们相信我们的运营成本会相应降低。我们还没有证明这一点。但根据我们的模型,运营成本应该比反应堆低。”

Piefer补充道,SHINE的系统预计会比常规反应堆产生更少的放射性废物。

4、下一阶段

对于被高盛评为2022年最杰出企业家之一的Piefer来说,SHINE的未来不仅仅与钼-99和其他医用放射性同位素的生产有关。

该公司已经开始了四个阶段的聚变能源生产之旅。为了反映其业务范围的扩大,该公司去年将名称从SHINE Medical Technologies更名为SHINE Technologies。

SHINE已经完成了其目标的第一阶段:在无损中子放射中商业化使用Phoenix的聚变中子发生器,该公司正在实现扩大医用同位素生产规模的第二阶段。

第三阶段涉及使SHINE的化学分离能力,适应高放射性废物的大规模回收。

Piefer更倾向于使用“回收”一词而非“再处理”一词,他表示,作为根据《美国联邦法规》第10篇第50部分获得许可的设施,Chrysalis将配备处理废旧核燃料的分离和回收的设备。

随着SHINE技术的进步,该公司计划通过聚变过程实现核废料的大规模转化,从而减轻长寿命同位素的负担。

Piefer说:“我们相信,基于我们创造的商业模式,我们可以扩展到(核)废物领域,并使其成为一项有利可图的投资。”。

最后一个阶段,是在前几个阶段的商业成功基础上产生核聚变能。

然而,Piefer承认,聚变能的实现可能还有很长的路要走。

“当我审视人类的未来100年,但当我思考未来1,000年或10,000年时,我很清楚,在这些时间框架内,聚变将发挥主导作用。我想尽我的一份力量,现在就把它提上台面。”

Piefer在威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin–Madison)的杰拉尔德·库尔辛斯基(Gerald Kulcinski)教授的指导下学习时,开始了解商业聚变发电所面临的挑战。

Piefer说,正是库尔辛斯基让他思考了聚变的实际用途,而不是发电。

他说:“库尔辛斯基有这样一个想法,那就是你可能会在不久的将来用聚变做一些事情,这真的引起了我的共鸣。”

“当时的想法是,如果你能利用聚变的一些短期用途,你将为社会提供价值。”

Piefer指出,SHINE的目标是继续降低其产生的中子的成本,同时增加这些中子在市场上的使用。

他将其与特斯拉(Tesla)的商业模式进行了比较,该公司首先生产昂贵的Model S,然后努力提高其生产电动汽车的熟练程度,通过提供更实惠的Model 3来扩大其市场份额。

“随着你越来越熟练,越来越便宜,越来越多的人能够负担得起,公司也会变得更大。这就是我们正在努力做的。”

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