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美国实施ARPA-E规划:推进先进堆技术与乏核燃料“再循环”

2022-08-04 14:01:22 中国能源网   作者: 镜清  

美国能源部先进能源研究项目局(ARPA-E)“定位”独特,专事资助先进能源技术研究。从2007年创立以来,围绕先进核能技术研发推出多个规划。最近引人关注的是“优化核废料与先进堆处置系统”规划,包括给新墨西哥州立大学提供资助,编制乏(核)燃料(又称“用过的”燃料)再循环计划。

1. 引子:新墨西哥州立大学利用DOE拨款参与合作

据最近报道,美国新墨西哥州立大学(NMSU)正在与泰拉能源公司、爱达荷国家实验室(INL)和萨凡纳河国家实验室(SRNL)合作,执行为期三年的科研项目,以制定乏核燃料再循环计划[1,2]。这个项目利用能源部(DOE)先进能源研究项目局(ARPA-E)的850万美元资助,隶属于“优化核废料和先进堆处置系统”(ONWARDS)规划。项目的目的是把核电机组运行卸出的乏核燃料,作为可靠、清洁的能源,增加核能利用,并限制先进堆产生的废物数量。这种方法的要点在于:既可防止燃料用于武器装备,又有助于满足可持续电力需求。


新墨西哥州立大学教授科里·温多夫(Cory Windorff,左)和保罗·安德森(Paul Andersen,右)。

NMSU化学与材料工程副教授保罗·安德森说,“核能有很多优点,但缺点之一是产生放射性废料。”“源自核电站的大部分乏核燃料仍然含有大量能源,由于积累了裂变产生的放射性物质而不能利用。因此,我们提出一个核废料再循环、再利用工艺流程,以获得更多能源,也能更容易处置剩余的核废物。”

化学反应器:这个再循环项目建立在两位新墨西哥州大学教授,即化学与材料工程副教授安德森和化学与生物化学助理教授科里·温多夫研究的基础上。目前他们正在计划设计一个“化学反应器”,用来“纯化”先进堆燃料循环的乏燃料,从而减少核废料的积累,同时使废料可重复利用。

温多夫说,“如果能使现有的、新产生的乏核燃料‘再循环’,那么就不必开采更多铀矿了,这是好事。”“本来这种核废物,是要发送到WIPP(The Waste Isolation Pilot Plant)那种地方去的。”

WIPP即美国“废物隔离中试设施”,是当前美国唯一的长寿命放射性废物深地处置库。它就位于新墨西哥州卡尔斯巴德(Carlsbad)东南26英里处,地下2150英尺古老盐层中,用于永久隔离早年军事防御产生的超铀元素废物。NMSU运营卡尔斯巴德环境监测与研究中心,负责进行独立监测,以评估WIPP对人类健康和环境的影响。NMSU参与此项目,这可能是原因之一。

在核废物管理方面,处置有严格的定义,即不得再次“移动”。但后来技术发展变得即使经“处置”后的核废物包,如果需要,也可“回取”,另行“处置”。

商用化:有ARPA-E的资助,安德森和温多夫打算聘用两名博士后研究人员,与泰拉能源、INL和SRNL的研究人员合作,进行他们的化学“反应器”概念的深入技术开发。据安德森说,“在这个为期三年的项目之后,可能会有几轮融资。这是第一步,希望经多步后能最终实现产品或工艺的商用化。”

未来三年的大部分工作将涉及准备性研究,更好地理解拟议的再循环工艺。温多夫说,“在扩大规模之前,需要了解这个工艺如何运作。”“一旦理解了,这个工艺很容易商用化。”

安德森认为,由于新墨西哥州在核能领域的历史作用,“NMSU大力参与下一代核燃料循环很有意义”。核燃料循环指开采、净化和浓缩铀,使之成为用于反应堆发电的燃料,以及放射性废物处理和处置。安德森澄清说,NMSU并没有参与核反应堆设计(新墨西哥大学正在努力),只是改进乏核燃料的“前-后端产生的各种物质”的工艺过程。安德森和温多夫正在研究这个工艺过程的化学和化学工程方面,不一定是核方面。

NMSU与泰拉能源公司的合作关系也为学生参与国家实验室研究项目提供了可能性。温多夫说,“这种合作使我们的联系变得多样化了。有学生,就可派到他们那里去。” 安德森解释说,“泰拉能源和INL对NMSU的学生去那里工作非常感兴趣。”这会扩大大学参与全国的研究。

2. DOE为先进堆燃料循环管理研发提供资金[3]

ARPA-E已为11个项目提供了总计3600万美元,用于开发技术,限制先进堆产生核废物的数量,并支持国内核燃料库存的可持续性。这些项目包括对各种先进堆燃料循环产生的乏燃料进行后处理、再循环,以及处置所需的设施和系统的研究。

ARPA-E的首次尝试:去年推出的“优化核废料与先进堆处置系统”(Optimizing Nuclear Waste and Advanced Reactor Disposal Systems,ONWARDS),是ARPA-E推进先进堆乏燃料管理的首次尝试。致力进行开环(一次通过)与闭环(后处理)燃料循环管理,目的首先针对轻水堆,并减少先进堆产生的核废物数量。这项基金于2021年5月发布。

ONWARDS各团队将在三个关键领域开展研发:

■工艺:乏燃料再循环改进,显著减少废物量,提高内在的防扩散能力,提高资源利用率,促进先进堆商用化。

■核保障措施:改进传感器和数据融合技术,准确、及时地进行核材料衡算。

■废物形式:为所有类型的先进堆开发高性能的核废物形式,重点是跨越多个反应堆类型和处置环境,而且是在所需时间尺度上安全和稳定的废物形式。

资助项目:

获资助者及其研究领域如下:

▲杨百翰大学(犹他州,Provo):减少分离过程的风险和不确定性,减少乏燃料的废物量。(奖励金额:90万美元)

▲黄水晶信息公司(加州,Redwood City):使用人工智能和基于物理模拟的方法,开发持久的废物形式,以显著减少熔盐堆(MSR)的处置库负担。(奖励金额:300万美元)

▲深隔离公司(加州,Berkeley):建立通用的性能标准和罐式系统,以最大限度地减少乏燃料和废物管理的长期成本。(奖励金额:360万美元)

▲通用电气全球研究公司(纽约州,Niskayuna):研发能在后处理核设施中运行的核保障衡算系统。(奖励金额:450万美元)

▲INL(爱达荷州,Idaho Falls):正在开发基于现有商用热分离技术的金属燃料再循环工艺,可增加金属燃料再循环的商业可行性。(奖励金额:200万元)

▲奥克劳公司(加州,Sunnyvale):研究乏燃料再循环设施的先进性和经济可行性。(奖励金额:400万元)

▲奥拉诺联邦服务公司(北卡罗来纳州,Charlotte):开发一种处理系统,旨在处理不同类型先进堆乏燃料处理设施释放的废气。(奖励金额:200万美元)

▲罗格斯大学(新泽西州,New Brunswick):提供一种可扩展的方法,将乏核燃料变成高密度、耐用的金属陶瓷(耐热陶瓷和金属复合材料)。(奖励金额:400万元)

▲伦斯勒理工学院(纽约州,Troy):专注提供有效管理复杂氟盐废物流的解决方案,促进先进堆燃料循环的可持续发展。(奖励金额:607500美元)

▲石溪大学(纽约州,Stony Brook):提高燃料利用率,减少铀装载量,显著降低先进堆的废物负担。(奖励金额:340万美元)

▲泰拉能源公司(华盛顿州,Bellevue):基于氯化物盐在高温下挥发的综合安全核保障,提出从乏燃料中回收铀的方法。(奖励金额:860万美元)

清洁能源:美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆(Jennifer Granholm)说:“开发安全管理核废料的新方法,将使我们能用无碳核能为美国更多的家庭和企业提供动力。”“ARPA-E正在通过支持那些正在研究下一代技术的公司和大学,使先进堆现代化,并加强国家的清洁能源企业实力。”

3. 改造核工业的三个早期研发规划[4]

核能正在改变面貌,可在支持世界向清洁能源过渡方面发挥巨大作用。

先进堆概念加强了多功能性,能更便宜地建造和运行。

几十家美国公司正在研究第四代反应堆设计,规模很快会各不相同。这些反应堆增强了多功能性,并能更便宜地建造和运行。其中某些甚至有助于减少必须永久处置的乏燃料的数量。

但为了实现这种潜质,反应堆研发人员需要在失去关键基础设施和供应链之前,帮助降低这些清洁能源技术的风险。

ARPA-E专注支持还处于早期阶段的新能源技术,使之有可能从根本上改变美国人获取、使用和储存能源的方式。

以下三个ARPA-E规划,有助于使先进核技术成为现实。

Ⅰ. 通过MEITNER降低先进堆的基建成本[5]

核工业面临的最大挑战之一,是按时和按预算建设新的核电厂。ARPA-E的MEITNER(Modeling-Enhanced Innovations Trailblazing Nuclear Energy Reinvigoration)规划确定和研发新技术,帮助降低建造先进堆系统的成本。

选定了十个项目,开发新的“赋能”技术。这些创新包括通过新的模块化或先进制造技术降低基建成本;通过机器人、自动控制和先进传感器降低运营费用。

所有这些项目都可帮助美国国内核供应链实现现代化,并使新的核电装置在财政上更具建设和运营的吸引力。

相关项目先后有变化。包括源自加拿大陆地能源公司(Terrestrial Energy)的一体化熔盐堆(IMSR)用磁悬浮屏蔽转子泵,以及源自英国Moltex能源公司的稳定盐反应堆废物燃烧器(SSR-W)复合结构技术[6,7]。

Ⅱ.通过GEMINA降低先进堆的运行/维修成本[8]

尽管核工业提供了美国一半以上的清洁能源,但是美国核反应堆群近1/4正在经历财政困难。

大约80%的反应堆发电总成本归因于运行和维护(O&M)费用。ARPA-E的GEMINA(Generating Electricity Managed by Intelligent Nuclear Assets)规划有希望大幅度削减先进堆发电装置的固定运维成本,把它降低到目前的1/10。

目前有9个项目正在开发“数字孪生”或类似的技术,用于先进堆设计。各个团队正在利用人工智能、先进控制系统、预防性维护和其他前沿突破,帮助优化先进核电装置设计的运维规程。

总体目标是把先进堆群的运维成本固定在接近$2/MWh的水平,最终使先进核电装置更经济、灵活、高效。

相关项目包括源自英国Moltex能源公司,将为其稳定盐反应堆-废物燃烧器(SSR-W)开发一个多物理装置数字孪生环境[9]。

Ⅲ. 通过ONWARDS减少先进堆乏核燃料的数量

最后,ARPA-E的“向前推进”计划旨在开发突破性技术,帮助促进将永久处置所需的乏燃料体积减少到1/10。

11个项目团队的重点是改进燃料再循环、核材料衡算的核保障措施,开发跨多个反应堆类别的高性能废物形式。

ONWARDS规划将先进堆废物形态的后端总体处置成本控制在$1/MWh范围内。

ARPA-E最近启动了一个单独的规划即CURIE,专注于改进现有反应堆后处理乏核燃料方法。这些努力不仅可以减少需要处置的乏燃料的数量,还可为新型快堆设计提供稳固的国内原料供应。

预计项目团队将于2022年10月选定。

Ⅳ. 跨部门的方法

ARPA-E只是美国能源部支持开发和部署先进堆技术的几个“办公室”之一。

核能办公室(NE)致力于通过若干举措实现先进堆部署,其中包括先进堆示范规划,旨在未来15年内实现各种先进堆设计的成熟和示范。

NE为研究、开发和示范项目提供资金,以降低先进核技术的风险和成本,提高核能在应对国家经济、能源安全和环境挑战方面的贡献。

4. CURIE:把“乏核燃料”中的锕系元素转化为能源[10]

在ARPA-E规划系列内,CURIE规划(Converting UNF Radioisotopes Into Energy),公布日期是2022年3月15日,现已生效;项目数有待确定。

规划说明

美国已经从运行的轻水堆(LWR)中积累了约8.6万吨用过的核燃料(UNF),即乏燃料,这个数值每年还要增加2000吨。尽管90%以上的能源仍然存在UNF内,但注定要做永久性处置。对UNF进行后处理,回收可重复使用的锕系元素,并将其作为先进堆的新燃料再循环,将提高核燃料的利用率,并大大减少需要永久处置的废物量。CURIE规划寻求开发创新的分离技术、材料衡算和在线监测技术,以及后处理设施设计,将使先进堆原料的锕系元素族群得以回收,纳入现场工艺过程监测,使废物量最小化,使先进堆的燃料成本只有1¢/kWh,处置成本保持在0.1¢/kWh范围内。

创新需求

能安全、经济地对美国轻水堆的乏核燃料进行后处理的创新技术,可大大减少需要永久处置废物的体积、热负荷和放射性毒性,同时为先进快堆提供有价值和可持续的燃料原料。确定最有可能使核燃料进行安全、经济的后处理,以达到这些目标的技术类别包括:

▲后处理技术:改进用于化学分离的乏燃料组件的准备工作;气体工艺流处理;分离技术,如水分离、高温处理和氟化物挥发,可显著减少废物量,提高内在的防扩散能力,并提供先进堆原料;

▲综合监测与核材料衡算:改进传感器和数据融合技术,使核材料的衡算准确、及时;

▲设施设计和系统分析:对新颖的设计、建造和运行后处理设施的方法,进行技术经济和系统分析(例如,模块化、设计固有的核保障、工艺强化),以提高核保障能力、降低成本,并促进后处理设施的选址和“取证”。

潜在影响

CURIE规划,通过牢固可靠、经济的再循环,利用国家轻水堆的乏燃料库存,改善美国的能源安全,有助于保护环境,并在以下方面为经济做出贡献:

安全:通过提供安全和可持续的国内燃料库存,支持先进堆技术的部署。监测能力的改进可使各种后处理阶段得到更精确的控制,同时确保关注的核材料更安全。

环境:大幅度减少国家轻水堆乏燃料库存处置的影响,减少铀矿开采需求,支持安全、可靠地储存放射性废物的综合性国家战略。

经济:补充ARPA-E现有的核能研究规划组合,如先进堆研发中的MEITNER、GEMINA和ONWARDS规划,进一步确保创新的新型先进堆的商用可行性,通过乏燃料回收有价值的放射性核素用于不同的应用,提供额外的税收来源。

5. 先进堆的特征与发展概况[11]

美国能源部核能办公室(NE)及其国家实验室支持广泛的新型先进堆技术的研究和开发,帮助满足国家的能源、环境和国家的核保障需求。

先进堆的特征:

Ⅰ.轻易赢得安全——发生事故时,不需要或只需极少的操纵员干预,就能保证安全。

Ⅱ.用途广泛——可为工艺过程、海水淡化提供热能,也可负荷跟踪,支持发展间歇性的新能源。

Ⅲ.核废物再利用与处置——可大大减少需要处置的乏燃料的数量,而某些技术可使乏燃料得以“再利用”。

Ⅳ.融资能力——可采用工厂制造,使基建成本更低。

先进堆的规模:

微堆——1-20 MW,可装在平板卡车上,可移动/扩展。

小型模块式反应堆(SMR)——20-300 MW,单元数量可多可少。

大型反应堆——300-1000+ MW,可提供可靠、零碳排放的基荷电源。

先进堆类型:

先进SMR——用水作为冷却剂,体积比传统的轻水堆(LWR)小。

液态金属冷却快堆——使用金属(钠或铅)代替水作为冷却剂,使冷却剂在比现有反应堆更高的温度和更低的压力下运行。

气冷堆——通过流动的气体来冷却,设计用于高温下运行。

熔盐堆——使用熔态氟化物或氯化物盐作为冷却剂。

美国民间正在开发的先进堆项目表

启示与思考

乏燃料再循环,减少最终处置的废物量,增加核能利用效率,是国际核能界几十年来孜孜以求的技术、经济和社会生态目标,关键在于用何种新的技术与工艺,支撑这个梦想得以实现。

干法(高温冶金)技术已经成熟,能实现高热、短寿命裂变产物(气态、固态)与长寿命、剧毒的阿系元素分离,使后者成为某些先进堆的燃料,入堆再循环,减少最终处置的废物量,增加核能利用效率,为人类提供充足、廉价的能源。

核废物最终处置方式:相对美国“尤卡山”式的地质处置库,“裂变产物”核电现场或附近地表存放衰变(300-1000年)和长寿命高毒性“锕系元素污染物”深层地质钻孔处置(几万~几十万年)更可取。

推进先进堆设计,大规模部署,关键是安全和经济。但更重要的是彻底消除公众对放射性的恐惧。只有核电机组设计上有保障,“应急规划区”的边界是电厂的围墙(或“厂区围栏”)才能彻底消除恐惧情绪。电厂发生某些事故是难免的,关键是对外环境、周边居民的健康和生活福祉不会产生影响。

根据现代核能的发展规律,先进堆的设计和运行还要接受实际安全和经济运行的考验,多数会遭淘汰,只有实践可接受的几种能够存活下来。就目前发展的趋势看:

—先进模块式水冷堆(SMR):最初有可能在退役燃煤电厂厂址上出现并发展;但因经济成本较高,很难长期延续下去……

—液态金属冷却快堆:从固体燃料制造技术和反应堆安全、经济运行成本考虑,很难得以广泛部署……

—高温气冷堆:无论能否能用乏核燃料分离的阿系元素制造球床燃料,都是开式(一次通过)燃料循环,只在特定需求(超高温工艺供热)环境,有存活的可能……

—熔盐堆:最有发展前景的先进堆设计,因其本身就是一个完整的“先进堆与燃料再循环系统”。最初、最稳妥、最安全的堆型是稳定盐反应堆(SSR)和一体化熔盐堆(IMSR);待设备、材料工艺过关(耐用、无故障运行寿期足够长)后才能广泛部署最简单、最经济的MSR,包括MCFR。

—最早运行的熔盐快堆:氯化物熔盐堆试验装置(MCRE),容量0.5 MW,2025年在INL科技园区投入运行,不发电,仅为MCFR设计取照提供运行数据[12]。

过去不理解DOE设ARPA-E的作用和它与能源部其他部门,特别是NE(核能办公室)各种规划的相互关联。受新墨西哥州立大学参与ONWARDS规划项目的启发,才慢慢理解设立这个部门,其实就是国家有意识地提供资金,用国家实验室积累的技术、知识、先进研究工具,与大学、创投公司一起支持私营的创新能源公司,催熟、商用化先进堆设计和乏燃料再循环技术,促成民营企业全面介入美国核燃料闭环活动,实现核能、核工业全面升级转型,进入早先设想的“第四代”核能时代。

气候变化、环境危机、除碳、能源转型、地缘政治、资源供应、俄乌战争为先进核能发展创造了“紧迫性”,甚至成为北美、西欧甚至全世界发展新能源和核能技术,实现能源独立的“动员令”……

先进堆与乏燃料“再循环”技术早就存在,只是在开发创新技术,寻找最经济、安全的解决方案。不从ARPA-E和NE项目全局上看,无法理解美国的战略格局和其规划项目目标。系统地研究美国的战略,会使我们在制定研发规划、选定核能项目时少走弯路。

资料与注释

[1] ANS Nuclear Cafe, New Mexico State collaborates on spent fuel recycling under

ARPA-E program, ANS, July 12, 2022

[2] Jessica Brinegar, NMSU to collaborate on $8.5 million DOE grant to reduce nuclear reactor waste, New Mexico State University, Jun 27, 2022

[3] Nuclear News, DOE funds R&D for advanced reactor fuel cycle management, ANS,

March 14, 2022

[4] DOE NE, 3 Early-Stage R&D Programs Transforming the Nuclear Industry, MAY 24, 2022

[5] DOE, Department of Energy Announces 10 Projects to Support Advanced Nuclear Reactor Power Plants, JUNE 4, 2018

[6] ARPA-E, Modeling-Enhanced Innovations Trailblazing Nuclear Energy Reinvigoration (MEITNER)

[7] ARPA-E, MEITNER=Modeling-Enhanced Innovations Trailblazing Nuclear Energy Reinvigoration

[8] DOE, DOE Announces $27 Million for Advanced Nuclear Reactor Systems Operational Technology, MAY 13, 2020

[9] ARPA-E,GEMINA—Generating Electricity Managed by Intelligent Nuclear Assets, PROJECT DESCRIPTIONS

[10] ARPA-E, CURIE: Converting UNF Radioisotopes Into Energy, 03/15/2022

[11] DOE NE, Advanced Reactor Types, 16 01, 2019

[12] TerraPower, TerraPower and Southern Company to demonstrate the world’s first fast-spectrum salt reactor at Idaho National Laboratory, February 23, 2022




责任编辑: 李颖

标签: ARPA-E规划 先进堆技术 乏核燃料

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