核废料处理一直是核工程领域的关注重点,美国目前有约9万吨乏核燃料储存在核反应堆场址的混凝土容器中,且每年新增约2000吨。田纳西大学诺克斯维尔分校核工程系教授尼克·布朗另辟蹊径,他认为“那些乏燃料是国家资源,蕴藏着大量有用材料”。

今年12月,由石溪大学牵头、布朗及其同事参与的“矩阵工程TRISO紧凑型结构实现先进反应堆燃料循环 (MATRICY)”项目将完成。2022年起,MATRICY研究人员开始探索废旧核材料中的重元素能否回收制成微型反应堆燃料。布朗称:“我们确定这不仅是可能的,而且极具吸引力,能将反应堆能源成本降低四到七倍,同时减少93%的核废料库存。”
该项目时机与成果备受瞩目。今年早些时候,美国政府发布多项核能行政命令,目标包括增加发电能力和高效回收乏核燃料。布朗表示,核能是重要的超低碳电力和热能来源,在确保反应堆安全的同时,减少核废料对子孙后代的负担至关重要。此前,布朗与石溪大学教授杰森·特雷列维茨合作开发慢化剂先进材料,后提出后续项目,研究利用回收燃料。
MATRICY项目中,石溪大学开发燃料和慢化剂材料制造合成技术,布朗领导田纳西大学开展反应堆设计开发等工作。研究人员专注于微反应器,其具有灵活性和广泛应用前景,可为偏远地区关键基础设施供电。由于美国高丰度低浓铀短缺,研究人员转而研究使用超铀元素作为燃料。
在项目期间,布朗团队比较了以回收超铀燃料和典型HALEU燃料为燃料的微型反应器,发现使用回收超铀元素可使最终处置核废料减少高达93%,还能减少新废料产生,且回收燃料能量密度在经济上更有利。布朗认为,核废料问题是核能领域的重大挑战和机遇,该项目能在减轻子孙后代负担的同时产生能源。