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變廢為寶:未來核反應堆燃料展望

2022-06-21 08:58  來源:嘿嘿能源heypower    輕水反應堆  乏燃料  核燃料

我們建(jian)議將乏核燃料分為(wei)兩類,一(yi)類作為(wei)新的(de)核燃料進行回收,另(ling)一(yi)類是滿足一(yi)定標(biao)準,可以(yi)進行淺埋處理的(de)廢(fei)物。廢(fei)物管理問(wen)題已經(jing)多(duo)(duo)年(nian)沒有得(de)到妥善處理,一(yi)旦解決,將會(hui)有更多(duo)(duo)的(de)商業(ye)公司使用核反應堆,相關(guan)企業(ye)會(hui)迅速(su)崛起,開展核廢(fei)料處理業(ye)務。


目前,世(shi)界上大部分的(de)(de)核電站是采(cai)用(yong)一次性(xing)燃(ran)料的(de)(de)大型輕(qing)水反應堆,其熱力學發電效(xiao)率很低,產生的(de)(de)乏(fa)燃(ran)料需要長期儲存,并且利用(yong)了核燃(ran)料中1%的(de)(de)能量。

自(zi)核(he)時代(dai)開始以(yi)(yi)來,已經有了應對上述問題的技術方案(an)。例如,快(kuai)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)反應堆(dui)(dui)的鈾利用率可以(yi)(yi)遠高于熱中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)反應堆(dui)(dui)。但是,我們需(xu)要的不僅僅是更好(hao)的反應堆(dui)(dui),因為無論哪種反應堆(dui)(dui),其核(he)殘留物(wu)都需(xu)要得到處理。

核電不應(ying)比其他能源更昂貴。如果部(bu)署得當,只需要(yao)很(hen)少的(de)土地、材料和勞動(dong)力(li)(li)。目前的(de)成本(ben)主要(yao)來源于復雜的(de)設(she)計、高額的(de)初始(shi)投(tou)資、長壽命廢物(wu)處理成本(ben)的(de)不確定性、行業缺乏活力(li)(li)以及缺乏可復制模式。

在國際上,技(ji)術(shu)發展(zhan)的重點是新(xin)的反(fan)應堆設計,但同時(shi),放(fang)射性(xing)廢物處置(zhi)期(qi)限(xian)已成為另一個關(guan)鍵點。

我(wo)們(men)需要核(he)電(dian)來滿足一系列的(de)(de)需求(qiu):它非常適合作為(wei)其(qi)他(ta)低(di)碳(tan)能源的(de)(de)補充,例如,在太陽(yang)能效率低(di)下的(de)(de)地(di)方建設核(he)電(dian)。反(fan)應堆儲(chu)存的(de)(de)熱量可(ke)以用來提供額外的(de)(de)電(dian)力,以平衡其(qi)他(ta)間歇(xie)性的(de)(de)電(dian)力來源。要實現這(zhe)一點(dian),就(jiu)必須滿足技(ji)術簡單(dan)、廢物管易處理這(zhe)兩個條件。

我們建議將乏核燃料(liao)分為兩類,一(yi)(yi)類作(zuo)為新(xin)的核燃料(liao)進(jin)行回收,另(ling)一(yi)(yi)類是(shi)滿(man)足一(yi)(yi)定(ding)標準,可以進(jin)行淺埋處(chu)理(li)的廢(fei)物。

廢物(wu)管理問題已(yi)經多年沒(mei)有得到妥善處理,一旦解決,將會(hui)有更(geng)多的商業(ye)公司使用核反(fan)應堆(dui),相關(guan)企業(ye)會(hui)迅速崛起(qi),開展核廢料處理業(ye)務(wu)。

反應堆類型

使用快(kuai)中子反應堆(dui)(dui)和先進的燃料循環,可(ke)能會大(da)(da)大(da)(da)降低用于(yu)終端廢(fei)物處理(li)成(cheng)本,《未來核電藍(lan)圖》中討論了(le)該技(ji)術。同時,新(xin)一(yi)代的小(xiao)型反應堆(dui)(dui)采用模塊(kuai)化設計,可(ke)以在工廠中大(da)(da)量(liang)建造并快(kuai)速部(bu)署。

新的(de)設(she)(she)計(ji)可以(yi)將安(an)全功能納入固有系統,從(cong)而簡化設(she)(she)計(ji)及相關(guan)的(de)許可和監管(guan)。其(qi)中(zhong)包括快中(zhong)子反(fan)應堆的(de)設(she)(she)計(ji),其(qi)燃(ran)料的(de)“裂變”效率要比(bi)傳統反(fan)應堆高得多,因此(ci)能更好地利(li)用燃(ran)料,并比(bi)輕水堆產生更少的(de)廢物。快中(zhong)子反(fan)應堆最終將成為回收其(qi)自身燃(ran)料和其(qi)他反(fan)應堆遺留的(de)乏燃(ran)料的(de)關(guan)鍵技(ji)術。

將生產好(hao)的反應(ying)堆運輸到目的地(di)并(bing)進(jin)行安裝,原則上也允許反應(ying)堆在停用(yong)后(hou)運回返廠。因(yin)此,用(yong)戶可以(yi)享(xiang)受核反應(ying)堆的好(hao)處,而(er)不必(bi)操心有害物質(zhi)處理。

變廢為寶

說“沒有(you)人知(zhi)道如(ru)何處理(li)核廢(fei)料(liao)”是不對(dui)的(de)(de)(de)(de),因為(wei)(wei)確實(shi)(shi)有(you)技術上可行的(de)(de)(de)(de)解決方案(an)(主要(yao)是在(zai)穩定(ding)的(de)(de)(de)(de)地(di)質(zhi)中用工程屏障深(shen)埋(mai))。然而,由于廢(fei)物在(zai)很長(chang)一段時(shi)間內的(de)(de)(de)(de)演變以及短期(qi)和中期(qi)的(de)(de)(de)(de)發熱(re)不確定(ding)性(xing),目前幾(ji)乎沒有(you)對(dui)乏燃料(liao)或(huo)高放射(she)廢(fei)物(HLW)長(chang)期(qi)處置(zhi)的(de)(de)(de)(de)實(shi)(shi)踐。世界上很大一部(bu)分乏燃料(liao)被儲存(cun)在(zai)池子(zi)里(li),這(zhe)需(xu)要(yao)人為(wei)(wei)監督的(de)(de)(de)(de)系統(tong)。其(qi)余的(de)(de)(de)(de)大部(bu)分儲存(cun)在(zai)空氣冷卻的(de)(de)(de)(de)屏蔽(bi)式儲存(cun)箱中,仍(reng)然需(xu)要(yao)在(zai)未來有(you)新的(de)(de)(de)(de)永久性(xing)解決方案(an)問(wen)世。

由于其壽命長(chang),未完全處理的廢物(wu)造(zao)成(cheng)了系統(tong)性(xing)風險,管(guan)理者必須對廢物(wu)承擔(dan)長(chang)期(qi)的責任,但(dan)很(hen)少有(you)組織(zhi)能延續(xu)那么長(chang)時間。在美(mei)國(guo)(guo),這(zhe)個(ge)責任據說是(shi)由聯邦政(zheng)府承擔(dan),并電力公司收取費用。目前,政(zheng)府要求工(gong)業界付款,但(dan)并沒(mei)(mei)有(you)徹底解決這(zhe)個(ge)問題(ti)。美(mei)國(guo)(guo)政(zheng)府并沒(mei)(mei)有(you)推動核電供應商通過其他方式來(lai)解決廢物(wu)問題(ti),而(er)是(shi)維持了一次性(xing)的燃料循(xun)環。盡管(guan)存(cun)在缺點,但(dan)還是(shi)可以容忍(ren)的。

對核材料進行(xing)長期管理的(de)最安(an)全(quan)形(xing)式(shi)是根本不把它們儲存起來,而是將(jiang)廢(fei)(fei)物分離處理,并通過“及(ji)時”程序回(hui)收(shou)其余(yu)的(de)廢(fei)(fei)物來實現。

為了向公眾(zhong)展(zhan)示可(ke)持(chi)續性,核電站應該在停止運行后很快(kuai)拆除(chu)。造(zao)成長期(qi)危害(hai)的(de)燃(ran)料的(de)成分(fen)應被回收(shou),并轉換為新的(de)核燃(ran)料。鈾(輕(qing)度(du)濃縮或貧化(hua)的(de)鈾235同(tong)位素)可(ke)以從(cong)循環(huan)中(zhong)添(tian)加或移(yi)除(chu),以達到物(wu)質平衡的(de)目的(de)。

核過(guo)程中產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)廢物(主要是(shi)裂變(bian)產(chan)物,而(er)非錒系等次要元素)只是(shi)乏(fa)燃(ran)料的(de)一(yi)小部(bu)分(fen)(fen),但這部(bu)分(fen)(fen)物質(zhi)產(chan)生(sheng)(sheng)大量的(de)熱(re)(re),是(shi)問題的(de)關鍵所(suo)在(zai)。裂變(bian)產(chan)物本身可以允許(xu)就地處置(zhi),這是(shi)因(yin)為在(zai)物理(li)安全殼(ke)失效之前,核廢料將衰變(bian)到(dao)基本無(wu)害的(de)水(shui)平(ping)。如果將能產(chan)生(sheng)(sheng)熱(re)(re)量的(de)部(bu)分(fen)(fen)分(fen)(fen)離出(chu)來,這些熱(re)(re)量就有可能被利用。

無(wu)論回收計劃多么(me)有效,它都無(wu)法消(xiao)除所有廢(fei)物(wu)。術語(yu)中描述為“低水平”的廢(fei)物(wu)通常可(ke)以通過現有的淺埋設施(shi)進行(xing)管(guan)理。出于(yu)物(wu)料(liao)平衡的目的,源自乏燃(ran)料(liao)的鈾可(ke)以很容易地被移(yi)除,并重(zhong)新(xin)輸入到(dao)新(xin)的核燃(ran)料(liao)中。

裂變產物的可持續利用

如(ru)果要(yao)利(li)用裂變(bian)產品廢料的(de)(de)材料或產生的(de)(de)熱量,那(nei)么必須確定足夠的(de)(de)需求。俄羅(luo)斯將(jiang)(jiang)鍶(si)-90用于放射(she)性(xing)同位素(su)發電(dian)裝置,但能否將(jiang)(jiang)伽馬發射(she)同位素(su)用于發電(dian)裝置值得(de)懷(huai)疑。基于銫-137的(de)(de)伽馬輻照器也已(yi)建立,但規(gui)模不大。這兩種應(ying)用目前還不成熟(shu)。應(ying)該指出的(de)(de)是,加(jia)工廠將(jiang)(jiang)有(you)可(ke)能提供镎-237,它是SNF的(de)(de)一(yi)個組(zu)成部分(fen)。通(tong)過在反應(ying)堆中的(de)(de)中子(zi)輻照,镎-237可(ke)以轉化為钚-238,用于長距離太空探索的(de)(de)放射(she)性(xing)同位素(su)發生器的(de)(de)高級放射(she)性(xing)核素(su)。

最(zui)靈(ling)活的(de)(de)(de)用(yong)途是對(dui)偏遠地(di)區供暖,該能(neng)源可能(neng)達到(dao)約10MW,適合幾百(bai)人的(de)(de)(de)小(xiao)社區。如(ru)果將裂變產品罐放置在(zai)一個地(di)下(xia)水池中,并(bing)與(yu)地(di)面進行(xing)熱交換(huan),由此(ci)產生的(de)(de)(de)熱水輸出可以為這些偏遠社區的(de)(de)(de)家(jia)庭提供可靠和(he)持續的(de)(de)(de)區域供暖,類似(si)于地(di)熱能(neng)源,但在(zai)選(xuan)擇的(de)(de)(de)地(di)點不受限于地(di)熱條(tiao)件(jian)。

為了(le)安全起(qi)見,在熱交換系統(tong)發生故障的情況下(xia),地下(xia)水(shui)池需要一(yi)個(ge)備(bei)用的熱匯(hui),將熱水(shui)引(yin)致(zhi)地面。

這種熱(re)源熱(re)流(liu)輸出穩定,通過定期(qi)向池中添加(jia)新的乏核燃料來補償放射性衰變。到(dao)了后期(qi),該甚至可以轉移到(dao)地面上(shang)進(jin)行熱(re)交換(huan)。約一(yi)百年(nian)后,該設施(shi)將(jiang)(jiang)不再顯著發(fa)熱(re),幾(ji)百年(nian)后,放射性危險將(jiang)(jiang)消失。

國際倡議

這里提出(chu)的想(xiang)法并不新(xin)奇(qi),而是(shi)自(zi)核工業成立以來就(jiu)存在(zai)(zai)的。在(zai)(zai)美國(guo),自(zi)卡特總(zong)統時代(dai)以來,核燃料回收斷(duan)斷(duan)續續的發(fa)展(zhan)。在(zai)(zai)其他國(guo)家(jia)(特別是(shi)俄(e)羅斯和(he)中(zhong)國(guo)),該項工作(zuo)正在(zai)(zai)進(jin)一步發(fa)展(zhan)。英國(guo)在(zai)(zai)這一領(ling)域曾經具備了很強的能(neng)力,但隨著杜恩雷和(he)塞拉(la)菲爾德核設施的關閉,這些(xie)能(neng)力已消耗殆盡。

法國的核廢(fei)料(liao)處理能力也很強,托木(mu)斯(si)克的西伯利亞化工(gong)(gong)園(yuan)區、季米特洛夫格勒(le)的RIAR和(he)周圍的各(ge)種俄(e)羅斯(si)研(yan)究所也都在積極開(kai)展工(gong)(gong)作(zuo),他們擁有(you)相關人才和(he)設施。法國的核研(yan)究機構CEA在2019年9月表示,“在本世紀下半葉之前,沒有(you)開(kai)發(fa)(fa)第(di)四代反應(ying)(ying)堆計(ji)劃。”反應(ying)(ying)堆開(kai)發(fa)(fa)需要進行大量的研(yan)發(fa)(fa)設計(ji)工(gong)(gong)作(zuo),以(yi)便能夠(gou)引(yin)入完(wan)整(zheng)的第(di)四代反應(ying)(ying)堆和(he)燃(ran)料(liao)循環設施,包括使(shi)放(fang)射(she)性衰(shuai)變期縮短的廢(fei)物(wu)管理能力。如果(guo)有(you)一項倡(chang)議提供足夠(gou)的資源和(he)贊助,上述(shu)技(ji)術可能會加快發(fa)(fa)展。

在(zai)較短的時間內,預計(ji)全(quan)面的第三代反應堆(有(you)時被稱為第三代+類(lei)型)會(hui)逐(zhu)步(bu)迭(die)代改進,并且可能會(hui)有(you)新型小型和(he)中型反應堆進行早期部署,如(ru)Moltex、GE-Hitachi、Terrestrial Energy、ARC、Leadcold、NuScale、Holtec,等等。

基于快中(zhong)子(zi)通量(liang)的(de)新概念設計通常是為(wei)了(le)降低單位成(cheng)本,并可能成(cheng)為(wei)建(jian)立《未來核電藍圖》原則的(de)領(ling)導(dao)者。




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