保羅·戴(Paul Day)，英國《Reuters Events》網(wǎng)站核能專欄編輯，將現(xiàn)代水冷堆乏核燃料后處理方面的文章做了整合，得出的結論是：現(xiàn)代核電機組卸出的乏核燃料高溫后處理技術，有望以合理的成本，為下一代反應堆提供適合美國國內(nèi)使用的核燃料，同時大幅減少剩余廢物的數(shù)量和毒性[1]。

美國阿貢國家實驗室(ANL)的研究設施

水冷堆的燃料棒，只有約5%的鈾用于核裂變發(fā)電。卸出后稱乏(核)燃料(SNF)，目前的通行實踐是在堆外長期“暫存”。這種SNF所含輻射毒性相當高，需要衰變幾十萬年，才能對環(huán)境無害。

全球已生產(chǎn)將近40萬噸SNF，經(jīng)“濕法”[2]進行后處理的不到三分之一，結果喜憂參半：體積減少了，但產(chǎn)生的材料有核擴散風險;用作新的核燃料，成本遠高于新開采的鈾。

目前，全球只有法國、英國、印度和俄羅斯有乏核燃料后處理廠，處理能力約為2000噸/年。

俄烏戰(zhàn)爭，美國確保國內(nèi)核燃料供應成為“當務之急”，有個研究項目似乎對目前正在研發(fā)的下一代核反應堆寄予特別的希望。

美國阿貢國家實驗室(ANL)的科學家，在上個世紀60年代初期的Ⅱ-實驗增殖堆(EBR-Ⅱ)和后來的一體化快堆(IFR)項目期間，開始快堆乏核燃料再循環(huán)研究。

從EBR-Ⅱ快堆開始，阿貢擴展的這項工作，開發(fā)出高溫冶金后處理工藝(又稱“干法”)，用于氧化物、碳化物和其他先進燃料堆內(nèi)閉路循環(huán)。

IFR是液態(tài)金屬冷卻快堆，后來用于發(fā)電并“銷毀”乏燃料。在研究期間，研究人員采用高溫冶金后處理工藝，即通過電化學反應，把所需的錒系元素與不需要的裂變產(chǎn)物分離，以便成為新的核燃料，入堆再循環(huán)。

ANL高溫冶金后處理處理工程部經(jīng)理克里斯塔·霍桑(Krista Hawthorne)說，“目前的重點是把高溫冶金后處理技術轉(zhuǎn)變至‘立即部署’狀態(tài)”。

高溫冶金后處理與電解提純

高溫冶金后處理，先回收水冷堆乏燃料的硬質(zhì)陶瓷氧化物芯塊，其中約95%是鈾，另外1%是長壽命放射性的錒系元素，其余是不可用的裂變產(chǎn)物。“后處理”就是把芯塊中的氧化物成分轉(zhuǎn)化為金屬。

接下來，將這些金屬熔入熔鹽桶內(nèi)，通過電精煉，電流有選擇地熔解并再沉積鈾和其他可復用的元素，用于制造快堆可用的燃料。

乏燃料中4%的裂變產(chǎn)物不能使用，仍需通過永久儲存的方式加以處置。因為大多數(shù)長壽命的同位素送去“再循環(huán)”了，因此裂變產(chǎn)物的輻射毒性在幾百年內(nèi)可衰變到天熱鈾的水平，與未經(jīng)處理、需要衰變幾千年的SNF相比短得多(見下圖)。

ANL“中試規(guī)模的干法后處理設施概念設計”

乏燃料組份的相對輻射毒性

今天，輕水堆仍然是美國核反應堆的標準設計，其原始的鈾燃料價廉且容易獲得，但快堆已接近示范階段，到這十年期末，商用、再循環(huán)燃料會成為常態(tài)。

通過核燃料再循環(huán)經(jīng)濟學的廣泛研究，阿貢國家實驗室2018年的研究報告“高溫冶金后處理中試設施概念設計”[3]指出，精煉作為快堆乏燃料管理和再循環(huán)的實際解決方案是可行的。

在這項研究中，設計年再循環(huán)100噸乏燃料的系統(tǒng)，基建總成本為3.98億美元，包括工藝設備和支持系統(tǒng)估算成本9300萬美元，設施成本3.05億美元。年產(chǎn)量擴大到400噸，估計基建總成本9.11億美元，年運行成本9000萬美元。

自從這項研究報告發(fā)布以來，阿貢一直在改進設計，使用最新的技術將它提高到商用可行水平。

霍桑說，“我們正在處理各方面的問題，比如把開發(fā)的某些下一代傳感器與過程控制整合在一起，以提高效率。正在考慮改進產(chǎn)品收集方法，降低工藝過程成本，也在使用機器學習(ML)等技術”。

阿貢正在開發(fā)電解提純爐的數(shù)字孿生(digital twin)，從內(nèi)部開發(fā)的監(jiān)測傳感器獲取反饋，以便團隊實時識別和響應電解精煉條件改變。

她說，“我們正沿著這些方向努力，提高效率并朝著高溫冶金后處理工業(yè)化方向前進”。

奧克勞公司(Oklo)也在“這條船上”

ANL和微堆開發(fā)商奧克勞公司一起工作，引起美國能源部(DOE)的注意。

今年8月，美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆(Jennifer Granholm)，在阿貢實驗室主任保羅·卡恩斯(Paul Kearns)的陪同下，一道參觀了奧克勞的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官雅各布·德威特(Jacob DeWitte)和首席運營官卡羅琳·科克倫(Caroline Cochran)在阿貢的公司實驗項目。

這家總部設在美國加州的開發(fā)商，已經(jīng)通過技術商業(yè)化基金(TCF)、ARPA-E OPEN和ARPA-E ONWARDS[4]，與阿貢合作開發(fā)先進的再循環(huán)技術，獲得DOE三項、總計1150萬美元的競爭獎勵。

奧克勞公司還通過加速核能創(chuàng)新網(wǎng)關(GAIN)獲得贈款，用于在阿貢新的機械工程測試回路(METL)裝置上的液態(tài)金屬熱工流體實驗研究。

該公司已獲得美國能源部的場地使用許可證，可在愛達荷國家實驗室(INL)科技園區(qū)建造首個核電裝置。據(jù)說該公司編制了首個先進裂變堆許可證聯(lián)合申請，計劃于2025年建成美國首個商用先進堆。

下一代快堆，如奧克勞公司的這個極光(Aurora)[5]，依靠乏燃料再循環(huán)的核燃料支持，因此急需提供解決方案，實現(xiàn)核燃料閉路循環(huán)。

科克倫說，“現(xiàn)在，乏燃料是巨大的經(jīng)濟負擔，僅‘暫存’就需要大量資金。如果有人付錢轉(zhuǎn)讓給我們，就能節(jié)約開支。即使免費，仍然經(jīng)濟、有益”。

她說，目前擔憂再循環(huán)的成本沒有根據(jù)，特別是在下一代快堆，如奧克勞的Aurora、泰拉能源公司的Natrium或Moltex公司和Elysium公司的熔鹽堆換料的時侯(Aurora，20年后才換料)。

她說，“沒有真實的根本原因解釋，為什么應該非常昂貴。關鍵是如何運行和管理。核燃料是我們最大的單一成本。如果乏燃料能再循環(huán)，就能比目前電網(wǎng)上的任何能源成本都要低”。

資料與注釋

[1] Paul Day, Pyroprocessing advances offer solution for fueling next-gen reactors, Reuters Events, Aug 24, 2022.

[2] “濕法”后處理：目前世界乏燃料后處理較成熟的技術是“濕法工藝”，也稱“PUREX工藝”。工藝過程復雜，而且因為可以分離出很純的钚，所以會帶來核擴散問題。

[3] “高溫冶金后處理中試設施概念設計”：Conceptual Design of a Pilot-Scale Pyroprocessing Facility，待查。

[4] ARPA-E, Advanced Research Projects Agency-Energy：為廣泛的單個技術項目提供資金。通常，把這些項目組成圍繞公共技術領域的重點技術項目。所有ARPA-E計劃和項目都是在對潛在研究領域的技術和科學價值和挑戰(zhàn)進行嚴格辯論的過程中創(chuàng)建的。

ARPA-E OPEN：ARPA-E除針對特定技術領域的重點資助機會外，還涉及能源相關的所有技術，包括當前投資組合之外的領域。目標是支持具有潛在顛覆性的新技術在全能源應用領域的發(fā)展。

ARPA-E ONWARDS：優(yōu)化發(fā)展核燃料和先進堆處置系統(tǒng)，目標是推進高性能先進堆廢物形態(tài)的發(fā)展，同時保持優(yōu)異的核安全保障標準和全球后端成本在可接受的1美元/MWh的范圍內(nèi)。

技術商業(yè)化基金(TCF)，The Technology Commercialization Fund ：是個競爭性的實驗室資助機會，旨在幫助美國能源部(DOE)國家實驗室開發(fā)有前景的能源技術商業(yè)化。TCF由能源部技術轉(zhuǎn)型辦公室(OTT)管理，旨在促進能源部設施、私營公司和其他將能源技術引入市場的實體之間建立更牢固伙伴關系的一系列舉措的一部分。

[5] 詳見：鏡清，奧克勞：一顆冉冉升起的“新星”《中國能源網(wǎng)》，2022-01-31.