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打碎阻碍核能发展的“枷锁”,解决乏核燃料后处理难题

2022-09-19 15:03:47 中国能源网   作者: 镜清  

据美国CNBC网站报道,由前能源部(DOE)官员艾德•麦金尼斯(Ed McGinnis)领导的初创公司古利奥(Curio),希望通过一种创新的化学工艺,解决美国的乏核燃料问题[1]。这种工艺可对乏燃料进行“后处理”,并将其“再循环”成先进堆的核燃料,以及太空和医疗应用的同位素等产品。该公司希望在六年内建一个“中试”装置,2035年之前运营一座价值50亿美元、年处理4400吨乏燃料的商用“后处理厂”。


Curio公司首席执行官Ed McGinnis

美国核能创新公司(Curio)[2]首席执行官艾德·麦金尼斯(Ed McGinnis), 正在寻求解决美国乏燃料问题的方案。在CNBC网站最近发表的一篇文章中,McGinnis说,乏燃料是个“非常巨大的、尚未解决的问题,几乎是美国核能部门试图转向下一代反应堆面临的最大难题”。Curio公司已开发出化学处理乏燃料的NuCycle技术。据称,该公司希望“重塑核能,使之成为释放人类创造力和抱负‘全部潜力’的手段”。

· McGinnis在1991-2021年,曾任美国能源部核能代理部长助理(Acting Assistant Secretary),对美国的核废料问题有第一手经验。2022年1月,他加入核能创业公司Curio,成为其首席执行官。

· McGinnis告诉CNBC,Curio公司计划在解决美国乏燃料(又称“核废料”或“用过的燃料”)问题的同时,用乏燃料制造有价值的产品,包括下一代反应堆的核燃料,对太空电池和医疗过程有价值的同位素,等等。

沉重的烙印

McGinnis在能源部工作了30年,积极参与制定乏核燃料处理的长期计划,包括尤卡山核废料处置库并“不成功”的工作。

McGinnis2022年6月在一次电话交谈中告诉CNBC,这段经历给他留下了“沉重的烙印”,因为政治进一步阻碍了这个“不可行”问题的解决。“但与此同时,我们面临巨大的、尚未解决的难题,几乎就是美国核能部门转向下一代核反应堆的最大‘枷锁’”。

此图显示2004年2月22日, 美国能源部尤卡山核废物处置库的入口,它位于内华达州的奈县,在拉斯维加斯西北约100英里。

变废为宝

McGinnis现已不在政府部门工作。他掌控一家名为古利奥(Curio)的初创公司,仍在努力解决乏燃料问题。这个初创公司由耶切兹克尔和耶赫达·莫斯科维茨(Yechezkel & Yehudah Moskowitz)兄弟于2020年创立,是他们投资控股公司协同控股(Synergos Holdings)公司的一部分。

兄弟俩为开发下一代先进(核反应)堆,创办了Curio公司。经过某些研究他们认为,已有许多公司在这个领域进行创新,但在乏燃料处理问题上,竞争甚少。

美国每年产生约2000吨新的乏燃料,外加已产生的约86000吨。对乏燃料进行后处理,是降低其放射性的一种方法。但世界现有的后处理能力只有2400吨/年,而且大部分在法国(1700吨)和俄罗斯(400吨)。

这家只有10人的初创公司,属于资本密集型、建设周期长的创投企业,还处于“烧钱”阶段。但 McGinnis告诉CNBC,它的目标是6年内建成并运行一台“中试”装置,到2035年建成并运营一个商用乏核燃料后处理厂。

Curio公司的商用后处理厂全部建成后,产能将达到4000吨/年。耗资50亿美元,核心厂房的占地面积大约相当于一个橄榄球场。

McGinnis说,“我们将获得美国所有86000吨乏燃料的所有权,联邦政府和公众在他们的账面上,再也不会有‘高放射性物质’,我们将承担这个责任。会把垃圾变成产品和珍宝,那是我们的业务范围”。

工作原理

按McGinnis的说法,把传统反应堆卸出的乏核燃料称为“废物”是用词不当,因为只用了其能源潜质的4%。但它很危险,其辐射足以危害人类达百万年。

Curio公司的“核循环”化学工艺,就是把乏燃料转化为先进堆的新燃料,也生产电池材料的同位素等产品。Curio公司的技术与现有的钚铀萃取(PUREX)后处理技术不同,不会带来“核不扩散条约”方面的问题,因为Curio的工艺流程不分离出高纯钚,有“内置的自我保护功能”。

Curio公司开发的“核循环”(Nucycle)化学工艺,可把乏燃料转化为可用的产品,如先进堆的核燃料,以及可用于其他功能的同位素,为太空使命制造电源的原料,作为微型电池电源的原料。

该工艺把放射性废物的量降到初始水平的4%以下。剩余核废物的放射性只需要储存大约300年。

Curio公司正在“细化和验证这个工艺流程”。其中某些工作涉及与国家实验室科学家的合作,但这些合作关系还处于非常早期的阶段。

关键是Curio公司的技术不同于现有的PUREX(钚-铀还原萃取)工艺。PUREX俗称“湿法”,“只在纯液流中分离、萃取钚”,在“核不扩散条约”方面可能存在问题。

McGinnis说,“有种工艺永远不分离纯钚。我们永远不会分离纯钚,因为希望强化防核扩散安全,有‘内置’的自保护能力。”

2005年6月30日,在华盛顿州里奇兰附近的汉福德核防护区,废物接收与处理设施(WARP)的设备经理吉姆·吉尔里(Jim Geary)正在检查三个TRUPACT运输集装箱。每个容器内装1455加仑超铀元素(TRU)废物桶,这些废物已经过处理,将送往新墨西哥州的废物隔离试验厂(WIPP)。

处理乏燃料,最具挑战性的难题是说服当地社区的成员,自愿在他们的“后院”建一个核设施。“与公众沟通非常、非常重要。”

Curio公司说,它曾与多个州协商,把这个“装置”建在哪里,但拒绝透露在哪几个州。他们认为,对许多当地社区而言,经济上的考虑会有所帮助,是当地社区的福音。McGinnis说,“类似这样的工厂要雇佣3000多个全职高薪的职员。”

社区不必担心放射性废物“会在那里存放1万年”,乏核燃料再循环厂选址的谈判,比核废物处置库的谈判要容易得多。

独立专家怎么说?

美国核学会前主席史蒂夫·内斯比特(Steve Nesbit)[3]告诉CNBC,美国需要探索新的创新技术,解决乏燃料问题。

他说,“先进堆开始运转时,开发、利用这种材料再循环更有意义。”有可能使乏燃料再循环,并把乏燃料中的某些元素重新装入现有的核反应堆群内。但“它更适合用于某些先进堆设计”。

他“当然”认识McGinnis,但补充说“目前Curio公司对自己的‘底牌’守口如瓶。”

罗格斯大学教授阿修托什·戈埃尔(Ashutosh Goel)[4]说,Curio的目标非常艰巨。Goel曾用所谓的“固化”工艺,做过核废物处置方面的研究。

Goel告诉CNBC,“Curio公司的目标雄心勃勃。然而,核能领域内的公司都这样!” “如果严肃考虑减排,同时还要满足国家的能源需求,没有核能,无法实现目标。”

Goel并不知道有个Curio公司,也不认识McGinnis本人,但在专业上久闻大名。在核领域,McGinnis是个著名的领导者,他曾是美国能源部的领导人物。Goel说,“我希望Curio公司能带来新气象。”

据桑迪亚国家实验室(Sandia National Labs)核工程师本·西皮蒂(Ben Cipiti)[5]说, Curio公司早期采取的举措非常明智。他们实验室正与 Curio公司共同起草一份政府拨款提案。

Goel告诉CNBC,“我认为,Curio很可能在这个领域取得进展,因为他们的方法吸收了过去的经验教训”。“他们正在与国家实验室合作,利用最新的研发成果,以及在这一领域取得成功所需的各种专业知识。”

McGinnis说,“在我看来,一旦解决了这个问题,核工业就会以前所未有的方式,进行“特斯拉式”的改革,因为它是核能部门的沉重拖累,影响公众舆论、接受度、经济和投资者”。“所以,当最终对‘后端’验证一个简洁、周到的解决方案时,核能行业将开始腾飞。”

启示与见解

Curio公司开发的NuCycle技术,是乏核燃料“干法”后处理工艺的一种。这类工艺的优势是占地面积小,产品商业价值高,副产品特别是液态废物量小,经济性能优于“湿法”后处理,是目前商用核工业的普遍追求。

“干法”后处理的主要副产品是高强外辐射裂变产物和少量辐射污染物。裂变产物可在现场地表储存300年,即“变废为宝”。污染物指工艺过程产生的长寿命、高毒性固体沾污废物,没有回收的经济价值,需要深地处置。所以任何核大国或地区都要有个地质“处置库”。美国开发地质“处置库”不成功,不是技术问题,是政治问题。这也迫使核工业开始寻求另外的出路,深地钻孔处置就是一条经济、安全可行的“路径”[6]。

乏核燃料是宝贵资产,不能与核废物混为一谈。从根本上和眼前现实看,乏核燃料是现成的、最便宜的核资源,大力发展核能才是真正的“能源独立”。只在“沿海”地区建核电站,有失地区“公平”,急迫需要研发先进的“非水冷”反应堆。一切地区和大多工业部门,都需要先进堆型核电站的辅助、补充。水电也不完全可靠,今年四川、重庆人民应对此有切身体会。


高放核废物深层地质隔离处置概念

资料与注释

[1] Catherine Clifford, Nuclear waste recycling startup wants to solve the ‘ball and chain’ problem holding back nuclear, CNBC, AUG 16 2022

[2]Curio, 1425 K Street NW Suite 210, Washington DC 20005, [email protected]

[3] Steve Nesbit, ANS President 2021-2022, founded LMNT Consulting in 2019 following a distinguished career with Duke Energy Corporation. LMNT Consulting supports clients on matters related to the nuclear fuel cycle, advanced nuclear energy systems, and nuclear nonproliferation.

[4] Ashutosh Goel, Associate Professor Materials Science and Engineering

[5] Ben Cipiti, a Distinguished Member of the Technical Staff in the Nuclear Energy Fuel Cycle program area at Sandia National Laboratories with over 18 years of experience in safeguards and security analysis for advanced nuclear reactors and fuel cycle facilities

[6] WNN, Deep Isolation aiming for disposal site within decade, 05 September 2022




责任编辑: 李颖

标签: 核能发展 乏核燃料后处理

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