美國能源部(DOE)新一輪研發(fā)資助主要支持一系列新技術，大幅減少新一代先進核反應堆產生的核廢料。

1、ONWARDS計劃

橡樹嶺國家實驗室正在與Orano FS合作開發(fā)模塊化廢氣處理系統(tǒng)。

作為一項旨在限制新一代先進反應堆產生廢物量計劃的一部分，DOE資助了近十幾個研究項目。

去年，DOE首次宣布了優(yōu)化核廢物和先進反應堆處置系統(tǒng)計劃，以確定和促進先進反應堆核燃料(UNF)的回收、處置和相關保障技術。

該項目稱為“前進”(ONWARDS)計劃，資助的項目主要是開發(fā)能夠解決先進反應堆燃料循環(huán)相關的核廢料，和相關的核廢料儲存，支持更安全、更可持續(xù)的國內燃料儲備。

在最新一輪的資助中，DOE又向高級研究項目機構能源(ARPA-E)計劃投入了3600萬美元。

2、受資助項目

通用電氣

RADMASS團隊將有權進入位于紐約州尼斯卡尤納的GE研究園區(qū)，開發(fā)其新的檢查技術，以支持燃料回收，從左到右為：首席科學家Bogdan Neculaes和資深科學家Uwe Wiedmann，他們專攻輻射物理和系統(tǒng)設計;以及該項目的PI、材料科學家Andrew Hoffman(來源：GE Research)

在11個獲得資助的項目中，通用電氣全球研究公司獲得了近450萬美元的資金，用于開發(fā)一種用于核后處理設施的創(chuàng)新檢測技術。

該技術稱為材料分析安全保障共振吸收密度測定(RADMASS)，旨在解決美國不同儲存地點儲存的乏燃料問題。

RADMASS是一種無損評估技術，能夠準確測量和表征這種材料，以實現更具成本效益的再加工。

該項目的目標是通過光子學和核建模，證明在非輻射環(huán)境中的概念驗證，以證明RADMASS在高輻射環(huán)境(如核燃料后處理輻射安全殼室)中運行的能力。

安德魯k.霍夫曼(Andrew K.Hoffman)博士(GE Research的材料研究科學家和該項目的首席研究員)說：“先進核反應堆概念上線，最令人興奮的因素之一是有機會優(yōu)化行業(yè)未來，尤其是如何回收燃料。隨著新先進反應堆概念創(chuàng)造了更多的回收機會，我們需要抓住時機，使核能成為一種更具吸引力的無碳能源替代品。”

泰拉能源

泰拉能源(Terra Power)還獲得了850萬美元，用于的項目旨在減少高溫下使用氯鹽的廢物量。

金屬、氧化物和鹽基反應堆燃料廢物減少和/或基于氯化物揮發(fā)性的目標，是調整氯基揮發(fā)性(CBV)參數，以實現鈾的高回收率。

通過這樣做，廢物量將大大減少。

泰拉能源表示，之前的工作已經證明，從輻照氧化物燃料中回收了99%以上的鈾，因此有可能將儲存庫的負擔減少10-20倍。

這項工作將從替代UNF開始，并在可應用于金屬、氧化物和鹽基反應堆燃料的過程演示中，進展到實際氧化物UNF。

泰拉能源總裁兼首席執(zhí)行官克里斯·勒維克(Chris Leveque)表示：“我們正在積極探索整個燃料循環(huán)的新解決方案，包括解決乏燃料問題的最佳方式。”

3、核廢料不再令人頭疼

新型磷酸鹽廢料

在ARPA-E資助300多萬美元資金的項目中，包括Citrine Information、太平洋西北國家實驗室(Pacific Northwest National Laboratory)和北德克薩斯大學(University of North Texas)，他們將使用人工智能和模擬方法開發(fā)新型磷酸鹽廢料，顯著減少熔鹽反應堆的儲存庫負擔。

該項目的目標是快速開發(fā)磷酸鹽玻璃、陶瓷及其復合材料，以去除鹵化物，并更安全地固定熔鹽反應器中的鹽廢物。

該項目希望最終實現設計廢物形態(tài)的kg級概念驗證，并證明與現有技術相比，廢物質量負荷增加了六倍以上，廢物量減少了80%。

Citrine說，該提案還將使廢物處理的資本和運營支出減少60%。

詹姆斯·薩爾(James Saal)博士(Citrine的外部研究項目總監(jiān)和首席研究員)說：“我們的ARPA-E計劃將核廢料制造、玻璃和陶瓷模擬領域頂尖專家的知識和能力，與我們的數據驅動方法相結合，有望在短短三年內設計出更高效、更廉價、更安全的廢物體，從而顛覆核廢料行業(yè)。”

模塊化廢氣處理裝置

Orano子公司Orano Federal Services(FS)將獲得220萬美元的項目資金，用于開發(fā)模塊化廢氣處理裝置。

“即插即用”裝置，將根據處理不同先進反應堆類型乏燃料時產生的廢氣進行定制，包括金屬燃料、TRISO燃料和熔鹽反應堆液體燃料。

經過優(yōu)化以有效捕獲受管制的放射性和非放射性廢氣，處理過程本身只會產生適合處置或衰變儲存的低放射性廢物。

首席研究員斯文·巴德(Sven Bader)博士將與橡樹嶺國家實驗室(ORNL)和太平洋西北國家實驗室(PNNL)在廢氣處理方面進行最先進的研究和開發(fā)。

Orano FS總裁多蘿西·戴維森(Dorothy Davidson)表示：“先進反應堆將需要先進的工藝來準備其使用過的核燃料，以供再次使用。我們感謝有機會……與ONWARDS合作，支持下一代先進反應堆。”

4、研究案例

先進反應堆廢物流

在學術機構正在進行的許多項目中，羅格斯大學新澤西州新不倫瑞克校區(qū)正在接受價值400萬美元的贈款，用于開創(chuàng)先進反應堆廢物流，處理金屬陶瓷廢物體(PACE-FORWARD)項目。

該大學旨在提供一種簡單、可擴展的方法，將多種廢物流(如金屬、鹽和碳)固定到單一、高密度、耐用的金屬陶瓷中。

該項目目標是將任何潛在先進反應堆燃料循環(huán)產生的廢物，封裝成耐熱陶瓷和金屬復合廢物形式。

金屬陶瓷將把不銹鋼廢物作為初階段，封裝均勻分散在整個金屬基體中的陶瓷。最終出現固結，以減少孔隙度。

羅格斯說，這項先進的技術將大大減少廢物流的處理，因為不需要為單獨的廢物流開發(fā)多種廢物流。

與輕水反應堆技術相比，該過程還將使存儲庫占地面積減少約一個數量級。

他們補充說，它的設計適用于多種處理環(huán)境，與當前的現有技術相比，預計還可以將生產、運營和維護成本降低50%左右。

MATRICY項目

石溪大學(Stony Brook University)正在考慮將TRISO用作一種低廢物、可儲存的燃料(圖源：US DOE)

ARPA-E計劃資助的另一個學術項目是紐約石溪大學正在進行的340萬美元矩陣工程TRISO緊湊型實現先進反應堆燃料循環(huán)(MATRICY)項目。

他們的提案集中在一個全面的系統(tǒng)方法上，通過提高燃料利用率和減少鈾負荷來顯著減少廢物負擔。

該方法考慮使用基于TRISO的微囊化燃料，將MgO(氧化鎂)作為低廢物和儲存庫就緒燃料形式。

MATRICY將設計TRISO燃料，以實現完整顆粒的解聚。同時，該項目將評估其作為最終廢物進行長期處置。

石溪小組將把反應堆分析與一個程序結合起來，以制造和了解新燃料及其廢物的性能。他們的目標是與當前最先進的技術相比，實現核廢物減少一個數量級以上。

通用容器系統(tǒng)

與此同時，加州大學伯克利分校、勞倫斯伯克利國家實驗室和NAC國際正與“深度隔離”公司(Deep Isolation)合作，以超過360萬美元的ARPA-E資金開展UPWARDS項目。

考慮到設計安全(UPWARDS)的通用性能標準，和先進反應堆廢物體在鉆孔和采礦儲存庫中驗收的容器項目，正在尋求為先進反應堆廢物流建立一個新的通用容器系統(tǒng)。

合作伙伴表示，這種新的容器將產生一種基本的廢物形式，從而將存儲、運輸和處置之間存在的相互依存的約束解耦。

設計與當前的干式儲存和運輸基礎設施兼容，新的容器還將滿足“深度隔離”深孔解決方案的熱、體積和臨界廢物接受限制。

其目標是通過將廢物包裝在小型容器中，將乏燃料和廢物管理的長期成本降至最低，這些容器可以在現場或集中干燥儲存，運輸到地質處置庫，并在不重新包裝的情況下進行處置。

電解精煉設施投資

“深度隔離”還與另一個接受ARPA-E資助的團體合作。

在俄克拉荷馬州領導的一個項目中，合作伙伴計劃在未來幾年內將核燃料回收設施商業(yè)化。

該項目旨在使電解精煉設施的近期商業(yè)化，以關閉金屬燃料循環(huán)。該設施將為Oklo的金屬燃料反應堆生產燃料，并關閉先進的反應堆燃料循環(huán)。

價值400萬美元的ARPA-E資金將使合作伙伴專注于用于回收核燃料的電解精煉設施的關鍵流程的工業(yè)化和自動化。這將解決每個關鍵操作，并演示使用模擬燃料的端到端過程。該項目還將準備設施申請NRC許可，并制定最終深孔處置庫處置過程中產生的任何廢物的計劃。

與無后處理基線相比，該技術有望減少一個數量級以上的廢物。

此外，其支持者聲稱，ONWARDS旨在推動高性能廢物體的開發(fā)，同時將后端成本維持在1美元/ MWh的可接受范圍內。

Oklo聯合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官雅各布·德維特(Jacob DeWitte)表示：“ONWARDS項目將建立在我們能源部的其他項目工作的基礎上，使Oklo能夠建立一個一流的燃料回收設施。商業(yè)規(guī)模的燃料回收設施將改變先進裂變的經濟模式。”

兩步氯揮發(fā)法

楊百翰大學(Brigham Young University)也在進行一些較小的項目——兩步氯揮發(fā)法，用于從先進反應堆中再處理用過的核燃料。

所有這些研究項目都試圖通過限制先進反應堆產生的廢物量來增加核能作為可靠清潔能源的部署和使用。

通過減少廢物和儲存問題，目標是支持清潔能源基礎設施，并為核能的新時代鋪平道路。

事實上，DOE最近發(fā)布了一份供應鏈報告，指出先進反應堆技術的燃料開發(fā)和綜合廢物處理戰(zhàn)略，是支持進一步部署核能的重要因素。

正如DOE部長珍妮弗·格蘭霍姆(Jennifer M Granholm)所說：“開發(fā)新安全管理核廢料的方法，將使我們能夠用無碳核能為美國更多的家庭和企業(yè)供電。ARPA-E正是通過支持公司，以及研究下一代技術的大學來做到這一點的。”

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