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小型模块化核反应堆,核废物处理的大问题

2022-07-26 13:33     来源:石油工程师协会     核废料处理放射性废物

虽然小型模块化反应堆为负担得起的无碳核电打开了大门,但它们也提出了关于废物处理的新问题。

爱达荷国家实验室热燃料检测设施的核能研究。资料来源:爱达荷国家实验室。

无碳核能的支持者设想大规模生产的小型模块化反应堆 (SMR),其发电量低于 300 兆瓦,可以通过卡车从一个地方运输到另一个地方,作为传统千兆瓦级轻水反应堆 (LWR) 的更便宜、更安全的选择)。

但一些研究人员认为,目前的 SMR 设计可能会产生比它们的大表亲更多且有所不同的废物处理问题。

斯坦福大学和不列颠哥伦比亚大学的研究人员于 5 月在美国国家科学院院刊 (PNAS) 上发表的一项最新研究评估了三种 SMR 设计,并得出结论认为与它们产生的核废料的管理和处置有关的问题超过 1,100 兆瓦压水堆的 5 到 35 倍。

斯坦福大学国际安全与合作中心前麦克阿瑟博士后研究员、研究负责人 Lindsay Krall 告诉路透社:“这些发现与倡导者声称的先进核技术的成本和减少废物的好处形成鲜明对比。”

瑞典核燃料和废物管理公司 (SKB) 冷却乏核燃料,然后将其转移到 8 米深的水盆地的岩石室中,等待最终埋葬在尚未建造的储存库中。照片:Curt-Robert Lindqvist。版权所有:SKB。

Krall 是瑞典 SKB(瑞典核燃料和废物管理公司)的科学家,该公司为该国的核电站管理和储存放射性废物。瑞典 7 月份公布的数据显示,瑞典 40% 的电力来自核能,40% 来自水力发电,10% 来自风能,因此获得吹嘘的权利,成为每千瓦时发电二氧化碳排放量最低的欧盟国家。欧洲环境署。

麻省理工学院 2018 年的一项研究得出的结论是,几乎无碳的核能对脱碳至关重要,如果从能源结构中去除核能,实现气候目标的成本将高出 50%。

斯坦福/不列颠哥伦比亚省的研究评估了三个 SMR,每个 SMR 都有不同的冷却系统设计: Fluor 支持的 NuScale Power 的水冷先进反应堆,第一个获得美国核管理委员会关键批准的 SMR;陆地能源的熔盐冷却系统;和东芝设计的钠冷SMR。

Terrestrial Technologies 的一体化熔盐反应堆第四代发电厂产生的热量产生电力并驱动其他工业过程。资料来源:地面技术

研究人员通过理论计算和更广泛的设计调查证实了三个反应堆评估的结果。这使他们得出结论,目前处于研发各个阶段的数十种 SMR 设计更有可能泄漏中子,使得这些设计,如报告中所述,“……在生成、管理和最终处置方面不如 LWR核废料中的关键放射性核素。”

目前没有运行中的 SMR,而且由于它们的设计往往是专有的,该研究的作者承认在进行分析时遇到了困难。

NuScale 是更先进的 SMR 项目之一,自 2014 年以来在美国能源部的资助下开发了 4 亿美元,直到 2029 年才开始发电,届时它预计将部署六个 77 兆瓦模块中的第一个作为碳的一部分与犹他州联合市政电力系统合作的免费电力项目。NuScale 工厂将建在爱达荷瀑布附近的爱达荷国家实验室。

该研究的另一个主题,陆地能源,在出版后的几天内将PNAS带到了任务中。Terrestrial 的首席技术官大卫·勒布朗(David LeBlanc)在6 月 3 日致该出版物总编辑的一封信中谈到了对他所谓的报告中“大量且重大的事实错误”的担忧。

大学研究人员指出,“[在他们的研究结果中]提出的低、中和高放废物流特征表明,SMR 将比 LWR 产生更多体积和化学/物理反应性废物……因为“中子反射器和/或化学SMR 设计中使用的活性燃料和冷却剂。

因此,不仅废物的体积是一个问题,更重要的是,在 SMR 核心中产生的非常不同类型的废物——由于其体积小——可能会将通常维持必要的链式反应的中子泄漏到周围的结构材料中例如钢或混凝土。

SMR 废物处理:一项新的工程挑战

中子泄漏会影响反应堆废物的性质,而 SMR 的乏燃料具有较高浓度的易裂变核素,在储存和处置过程中必须确定其临界性。研究指出,例如,熔盐冷却和钠冷却的 SMR 使用“高腐蚀性和自燃燃料和冷却剂,在辐照后会变得具有高放射性”。

SMR 乏核燃料中相对高浓度的同位素钚 239 和铀 235 将导致“再临界”(回到核反应自我维持的点)。研究人员说,这“对化学不稳定的废物流来说是一个重大风险”。

此外,如果 SMR 废物流容易发生放热化学反应或在与水接触时变得至关重要,则它们不适合直接进行地质处置。

在他给PNAS的反驳信中提出的观点中,Terrestrial Energy 的 LeBlanc 指出,“没有反应堆使用或建议使用发火 [能够在暴露于空气时自燃] 燃料”和“虽然钠反应堆确实有发火冷却剂,但冷却剂没有变得高度放射性。” 研究中任何暗示“熔盐和钠冷反应堆都有发火燃料和冷却剂的措辞……都是错误的,”勒布朗写道。

尽管如此,研究人员仍认为,从所研究的三个 SMR 排放的乏燃料中钚的放射性毒性至少比埋葬 10,000 年后提取的每单位能量的常规乏燃料中的钚高 50%。

美国能源部启动新一轮赠款

对于过去 10 年一直在资助各种 SMR 设计的研发并着眼于在 2030 年之前使第一个项目上线的美国能源部来说,所有这些都不是什么新鲜事。

废物管理是研发议程的一部分,在 3 月,当 DOE 宣布新一轮 4800 万美元的研究拨款以开发 SMR 废物的安全和可持续管理以及支持 DOE 先进核反应堆技术的其他技术时,它成为了中心舞台倡议支持尚未准备好进行私人投资的高影响力技术。

恰如其分地称为 CURIE(以发现镭的诺贝尔奖获得者科学家居里夫人的名字命名),美国能源部计划提供资助以开发创新的分离技术、在线监测和材料核算方法,以支持美国国内生产先进的反应堆燃料原料或重要的商业放射性同位素和关键矿物。

根据美国能源部的说法,CURIE 旨在支持研究设计系统,以使用回收的未使用(或用过的)核燃料为 SMR 提供动力,分离技术以减轻核材料的扩散,并最大限度地减少需要永久处置的废物的产生。

简而言之,目标是大幅降低需要永久处置的废物的热负荷和放射性毒性,同时通过回收乏燃料为先进快堆创造可持续的燃料原料。

3 月,美国能源部还在一项相关的政府计划 ONWARDS(优化核废料和先进反应堆处置系统)下向 11 个研究团队分配了 3600 万美元。其中最大的一笔赠款为 850 万美元,捐赠给了华盛顿州的核创新公司 TerraPower,以进一步研究一种利用氯化物盐在高温下的挥发性从乏核燃料中回收铀的实验方法。

根据总部位于英国的世界核协会的数据,美国是世界上最大的核电生产国,占全球核电发电量的 30% 以上。美国声称拥有全球 440 座发电核反应堆中的 93 座,另外还有两座传统的巨型核电站将于 2023 年投入运营。

新的传统美国核电站正在建设中。资料来源:世界核协会。

美国的传统商业核电站已经堆积了超过 85,000 公吨的乏核燃料和相关废物,需要在深部开采的地质储存库中隔离数千年,并且新的废物继续以一定速度在反应堆场地建造根据美国政府问责局的数据,每年 2,000 公吨。

据 SKB 称,目前还没有哪个国家能够建造乏核燃料的最终储存库,尽管芬兰、瑞典和法国是迄今为止该过程中最先进的国家。几年前,美国搁置了内华达州的尤卡山遗址作为解决方案,目前还没有提出替代方案。

然而,芬兰有望在 2023 年使用 SKB 开发的储存和埋葬方法开放世界上第一个乏燃料储存库:带有球墨铸铁嵌件的铜罐,每个罐装 2 吨废物。膨润土围绕着位于前寒武纪基岩中 500 米深的罐。

然而,与美国相比,芬兰和瑞典迄今为止产生的核废料量(分别为 2,300 吨和 8,000 吨)相形见绌;因此,美国能源部强调资助研究回收未使用的核燃料为 SMR 供电的方法,而不是将其全部储存数万年。

Posiva 是芬兰核能运营商 TVO 和该国 Fortum 能源公司的合资企业,正在建造该储存库,并预计将在 100 年后掩埋其最后一个乏燃料废物罐。瑞典计划在 2030 年代初开设自己的最终安息地进行永久埋葬。

与此同时,SKB 和 Posiva 留下了新技术可能在下个世纪出现的可能性,使他们能够在乏燃料回收成为现实时挖掘一些废物。

核动力月球——争议更少,技术更复杂

美国国家航空航天局表示,它已经选择了三个设计概念来为其阿耳忒弥斯月球基地开发核裂变动力,每一个都将获得美国能源部爱达荷国家实验室的 500 万美元资金。

6 月宣布的为期 12 个月的合同旨在进一步开发能够在月球表面运行至少 10 年的40 千瓦级核裂变发电厂的设计。选择了三个财团:

Lockheed Martin(马里兰州贝塞斯达,财团负责人)、BWXT 和 Creare

西屋公司(宾夕法尼亚州蔓越莓,财团负责人)和 Aerojet Rocketdyne

IX(Intuitive Machines 和 X-Energy 的休斯顿合资企业,以及财团领导者)、Maxar 和波音

美国宇航局指出,这种系统在月球上的成功演示将为长期月球和火星任务开辟道路。该项目还将帮助美国宇航局完善航天器的核推进系统,以用于深空探索任务,包括载人任务。

欧盟也在寻求发展航天器的核推进装置,并已指定比利时的 Tractebel 公司推进对欧洲生产钚 238 的研究。

目前只有美国和俄罗斯生产了用于航天器推进的钚238。欧洲航天局认为其在欧洲的生产对于实现其建立自己的月球基地的目标至关重要。

瑞典计划在 Forsmark 的 Söderviken 的乏核燃料储存库的蒙太奇。隧道系统的总长度预计将超过 60 公里。在地下,处置库为 3 至 4 km 2,位于基岩深处 500 m。照片:Lasse Modin/版权:SKB。

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