核能作為重要的能源來源，在全球范圍內(nèi)發(fā)揮著重要作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，核能發(fā)電量約占全球發(fā)電量的9%，而在美國(guó)，這一比例更是高達(dá)19%。目前，美國(guó)共有94座商業(yè)核反應(yīng)堆在運(yùn)行，發(fā)電量接近97千兆瓦。然而，隨著核能發(fā)電量的增加，乏燃料的管理問題也日益凸顯。

截至2022年底，美國(guó)反應(yīng)堆場(chǎng)地和獨(dú)立乏燃料儲(chǔ)存設(shè)施中的商業(yè)乏燃料(SNF)重金屬總量已達(dá)到約91,000公噸。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，美國(guó)能源部(DOE)正積極選址、建造和運(yùn)營(yíng)深地質(zhì)處置庫(kù)，以最終處置這些乏燃料以及再處理過程中產(chǎn)生的高放射性廢物(HLW)。

為了支持這一戰(zhàn)略，美國(guó)能源部核能辦公室內(nèi)的乏燃料和高放射性廢物處置辦公室正在規(guī)劃SNF和HLW的運(yùn)輸、臨時(shí)儲(chǔ)存和最終處置。

運(yùn)輸、儲(chǔ)存和處置——及其相互依賴關(guān)系統(tǒng)稱為綜合廢物管理系統(tǒng) (IWMS)。每個(gè)都有自己的流程和步驟，共同努力實(shí)現(xiàn)管理 SNF 的共同目標(biāo)。IWMS 可以看作是一個(gè)系統(tǒng)集合;它包括反應(yīng)堆場(chǎng)地儲(chǔ)存系統(tǒng)(濕式和干式儲(chǔ)存)(就建模而言)、運(yùn)輸系統(tǒng)(鐵路、駁船和重型卡車)、聯(lián)邦綜合臨時(shí)儲(chǔ)存設(shè)施 (CISF) 和處置系統(tǒng)(見圖 1)。

圖 1. 組成 IWMS 的系統(tǒng)及其相互依賴關(guān)系

為了向負(fù)責(zé)評(píng)估 IWMS 的決策者提供信息，該辦公室下屬的儲(chǔ)存和運(yùn)輸辦公室正在開發(fā)多種SNF管理工具，包括評(píng)估放射性運(yùn)輸?shù)睦嫦嚓P(guān)者工具(START)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)(UDB)、下一代系統(tǒng)分析模型(NGSAM)和STANDARDS等，這些工具廣泛涵蓋乏燃料運(yùn)輸;后端系統(tǒng)工程;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理;以及從劑量、熱量和臨界性角度進(jìn)行的 SNF 分析。

START是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的地理空間決策支持工具，它可以幫助決策者規(guī)劃SNF的運(yùn)輸路線。用戶可以選擇出發(fā)地和目的地，并定義首選的運(yùn)輸方式、路線標(biāo)準(zhǔn)和緩沖距離等參數(shù)。出發(fā)地可以包括核反應(yīng)堆、大學(xué)研究反應(yīng)堆和 DOE 設(shè)施等設(shè)施。目的地可以包括這些設(shè)施中的任何一個(gè)，以及地圖上其他用戶定義的點(diǎn)(前提是存在到該點(diǎn)的運(yùn)輸路線)。它類似于 Google 或 Apple 地圖，經(jīng)過微調(diào)以滿足 SNF 路線和運(yùn)輸需求。用戶定義首選的運(yùn)輸方式 - 鐵路、駁船、重載卡車或它們的組合 - 然后選擇路線標(biāo)準(zhǔn)，包括最小距離、最短時(shí)間或最小人口等因素。

該工具還允許用戶輸入首選和禁止的承運(yùn)人，確定沿途的其他站點(diǎn)，并定義障礙以防止在特定位置創(chuàng)建路線。START的開發(fā)得到了太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)和3 Sigma Consulting LLC的支持，并經(jīng)過定期更新以增強(qiáng)性能和新功能。

圖 2. 從各個(gè)原產(chǎn)地(綠色氣球)到美國(guó)地理中心的假設(shè)目的地(紅色氣球)的 START 路線示例。注意：路線僅供說明之用，并不代表計(jì)劃中的 SNF/HLW 運(yùn)輸路線。

UDB則是一個(gè)用于存儲(chǔ)SNF分析所需必要信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。它包含了干式容器、裝配、經(jīng)濟(jì)、交通基礎(chǔ)設(shè)施等多個(gè)屬性的數(shù)據(jù)，并允許與其他安全或系統(tǒng)分析工具集成。UDB的數(shù)據(jù)大部分來自核燃料數(shù)據(jù)調(diào)查(GC-859)，公用事業(yè)公司可以使用基于Web的應(yīng)用程序直接上傳其數(shù)據(jù)。為了提高效率并簡(jiǎn)化流程，上傳的數(shù)據(jù)中的任何錯(cuò)誤都會(huì)實(shí)時(shí)標(biāo)記，并可以在數(shù)據(jù)導(dǎo)出到UDB之前進(jìn)行更正。

NGSAM是一個(gè)強(qiáng)大的分析工具，它可以幫助分析師收集成本和時(shí)間表信息，并研究各種廢物管理方案的影響。NGSAM使用多種數(shù)據(jù)源，包括從UDB導(dǎo)入的容器和燃料相關(guān)信息、START生成的運(yùn)輸路線信息以及分析師提供的場(chǎng)景特定信息。該工具可以在個(gè)人臺(tái)式電腦或服務(wù)器上運(yùn)行，并支持多個(gè)場(chǎng)景的并行分析。

圖 3.NGSAM 工具站點(diǎn)的登陸頁(yè)面

STANDARDS則是一種集成式SNF分析工具，它提供了從反應(yīng)堆中的SNF排放到最終的SNF處置的端到端解決方案。該工具允許分析師支持乏燃料系統(tǒng)和設(shè)施的設(shè)計(jì)、安全和許可相關(guān)活動(dòng)，并包括自動(dòng)化功能以執(zhí)行耗竭和衰變熱計(jì)算、臨界性估計(jì)等核安全分析。

這些工具的開發(fā)工作得到了多個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的支持，包括阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和薩凡納河國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等。這些工具代表了美國(guó)成功長(zhǎng)期管理SNF的國(guó)家能力，并將在未來幾十年內(nèi)對(duì)核電發(fā)電的安全利用發(fā)揮關(guān)鍵作用。

目前，美國(guó)能源部的主要優(yōu)先事項(xiàng)之一是使用基于同意的選址流程選址、建造和運(yùn)營(yíng)一個(gè)或多個(gè)聯(lián)邦集中中間儲(chǔ)存設(shè)施(CISF)。聯(lián)邦CISF項(xiàng)目旨在將全國(guó)各地反應(yīng)堆場(chǎng)址的商業(yè)SNF整合到一個(gè)中心位置。為了支持這一項(xiàng)目，上述IWMS評(píng)估工具將發(fā)揮重要作用，幫助決策者估算CISF的規(guī)模、計(jì)算清理反應(yīng)堆場(chǎng)地的成本和時(shí)間概況、估算鐵路基礎(chǔ)設(shè)施需求等。

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