打碎阻礙核能發(fā)展的“枷鎖”，解決乏核燃料后處理難題

據美國CNBC網(wǎng)站報道，由前能源部(DOE)官員艾德•麥金尼斯(Ed McGinnis)領(lǐng)導的初創(chuàng )公司古利奧(Curio)，希望通過(guò)一種創(chuàng )新的化學(xué)工藝，解決美國的乏核燃料問(wèn)題[1]。這種工藝可對乏燃料進(jìn)行“后處理”，并將其“再循環(huán)”成先進(jìn)堆的核燃料，以及太空和醫療應用的同位素等產(chǎn)品。該公司希望在六年內建一個(gè)“中試”裝置，2035年之前運營(yíng)一座價(jià)值50億美元、年處理4400噸乏燃料的商用“后處理廠(chǎng)”。

Curio公司首席執行官Ed McGinnis

美國核能創(chuàng )新公司(Curio)[2]首席執行官艾德·麥金尼斯(Ed McGinnis)， 正在尋求解決美國乏燃料問(wèn)題的方案。在CNBC網(wǎng)站最近發(fā)表的一篇文章中，McGinnis說(shuō)，乏燃料是個(gè)“非常巨大的、尚未解決的問(wèn)題，幾乎是美國核能部門(mén)試圖轉向下一代反應堆面臨的最大難題”。Curio公司已開(kāi)發(fā)出化學(xué)處理乏燃料的NuCycle技術(shù)。據稱(chēng)，該公司希望“重塑核能，使之成為釋放人類(lèi)創(chuàng )造力和抱負‘全部潛力’的手段”。

· McGinnis在1991-2021年，曾任美國能源部核能代理部長(cháng)助理(Acting Assistant Secretary)，對美國的核廢料問(wèn)題有第一手經(jīng)驗。2022年1月，他加入核能創(chuàng )業(yè)公司Curio，成為其首席執行官。

· McGinnis告訴CNBC，Curio公司計劃在解決美國乏燃料(又稱(chēng)“核廢料”或“用過(guò)的燃料”)問(wèn)題的同時(shí)，用乏燃料制造有價(jià)值的產(chǎn)品，包括下一代反應堆的核燃料，對太空電池和醫療過(guò)程有價(jià)值的同位素，等等。

沉重的烙印

McGinnis在能源部工作了30年，積極參與制定乏核燃料處理的長(cháng)期計劃，包括尤卡山核廢料處置庫并“不成功”的工作。

McGinnis2022年6月在一次電話(huà)交談中告訴CNBC，這段經(jīng)歷給他留下了“沉重的烙印”，因為政治進(jìn)一步阻礙了這個(gè)“不可行”問(wèn)題的解決。“但與此同時(shí)，我們面臨巨大的、尚未解決的難題，幾乎就是美國核能部門(mén)轉向下一代核反應堆的最大‘枷鎖’”。

此圖顯示2004年2月22日, 美國能源部尤卡山核廢物處置庫的入口，它位于內華達州的奈縣，在拉斯維加斯西北約100英里。

變廢為寶

McGinnis現已不在政府部門(mén)工作。他掌控一家名為古利奧(Curio)的初創(chuàng )公司，仍在努力解決乏燃料問(wèn)題。這個(gè)初創(chuàng )公司由耶切茲克爾和耶赫達·莫斯科維茨(Yechezkel & Yehudah Moskowitz)兄弟于2020年創(chuàng )立，是他們投資控股公司協(xié)同控股(Synergos Holdings)公司的一部分。

兄弟倆為開(kāi)發(fā)下一代先進(jìn)(核反應)堆，創(chuàng )辦了Curio公司。經(jīng)過(guò)某些研究他們認為，已有許多公司在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng )新，但在乏燃料處理問(wèn)題上，競爭甚少。

美國每年產(chǎn)生約2000噸新的乏燃料，外加已產(chǎn)生的約86000噸。對乏燃料進(jìn)行后處理，是降低其放射性的一種方法。但世界現有的后處理能力只有2400噸/年，而且大部分在法國(1700噸)和俄羅斯(400噸)。

這家只有10人的初創(chuàng )公司，屬于資本密集型、建設周期長(cháng)的創(chuàng )投企業(yè)，還處于“燒錢(qián)”階段。但 McGinnis告訴CNBC，它的目標是6年內建成并運行一臺“中試”裝置，到2035年建成并運營(yíng)一個(gè)商用乏核燃料后處理廠(chǎng)。

Curio公司的商用后處理廠(chǎng)全部建成后，產(chǎn)能將達到4000噸/年。耗資50億美元，核心廠(chǎng)房的占地面積大約相當于一個(gè)橄欖球場(chǎng)。

McGinnis說(shuō)，“我們將獲得美國所有86000噸乏燃料的所有權，聯(lián)邦政府和公眾在他們的賬面上，再也不會(huì )有‘高放射性物質(zhì)’，我們將承擔這個(gè)責任。會(huì )把垃圾變成產(chǎn)品和珍寶，那是我們的業(yè)務(wù)范圍”。

工作原理

按McGinnis的說(shuō)法，把傳統反應堆卸出的乏核燃料稱(chēng)為“廢物”是用詞不當，因為只用了其能源潛質(zhì)的4%。但它很危險，其輻射足以危害人類(lèi)達百萬(wàn)年。

Curio公司的“核循環(huán)”化學(xué)工藝，就是把乏燃料轉化為先進(jìn)堆的新燃料，也生產(chǎn)電池材料的同位素等產(chǎn)品。Curio公司的技術(shù)與現有的钚鈾萃取(PUREX)后處理技術(shù)不同，不會(huì )帶來(lái)“核不擴散條約”方面的問(wèn)題，因為Curio的工藝流程不分離出高純钚，有“內置的自我保護功能”。

Curio公司開(kāi)發(fā)的“核循環(huán)”(Nucycle)化學(xué)工藝，可把乏燃料轉化為可用的產(chǎn)品，如先進(jìn)堆的核燃料，以及可用于其他功能的同位素，為太空使命制造電源的原料，作為微型電池電源的原料。

該工藝把放射性廢物的量降到初始水平的4%以下。剩余核廢物的放射性只需要儲存大約300年。

Curio公司正在“細化和驗證這個(gè)工藝流程”。其中某些工作涉及與國家實(shí)驗室科學(xué)家的合作，但這些合作關(guān)系還處于非常早期的階段。

關(guān)鍵是Curio公司的技術(shù)不同于現有的PUREX(钚-鈾還原萃取)工藝。PUREX俗稱(chēng)“濕法”，“只在純液流中分離、萃取钚”，在“核不擴散條約”方面可能存在問(wèn)題。

McGinnis說(shuō)，“有種工藝永遠不分離純钚。我們永遠不會(huì )分離純钚，因為希望強化防核擴散安全，有‘內置’的自保護能力。”

2005年6月30日，在華盛頓州里奇蘭附近的漢福德核防護區，廢物接收與處理設施(WARP)的設備經(jīng)理吉姆·吉爾里(Jim Geary)正在檢查三個(gè)TRUPACT運輸集裝箱。每個(gè)容器內裝1455加侖超鈾元素(TRU)廢物桶，這些廢物已經(jīng)過(guò)處理，將送往新墨西哥州的廢物隔離試驗廠(chǎng)(WIPP)。

處理乏燃料，最具挑戰性的難題是說(shuō)服當地社區的成員，自愿在他們的“后院”建一個(gè)核設施。“與公眾溝通非常、非常重要。”

Curio公司說(shuō)，它曾與多個(gè)州協(xié)商，把這個(gè)“裝置”建在哪里，但拒絕透露在哪幾個(gè)州。他們認為，對許多當地社區而言，經(jīng)濟上的考慮會(huì )有所幫助，是當地社區的福音。McGinnis說(shuō)，“類(lèi)似這樣的工廠(chǎng)要雇傭3000多個(gè)全職高薪的職員。”

社區不必擔心放射性廢物“會(huì )在那里存放1萬(wàn)年”，乏核燃料再循環(huán)廠(chǎng)選址的談判，比核廢物處置庫的談判要容易得多。

獨立專(zhuān)家怎么說(shuō)?

美國核學(xué)會(huì )前主席史蒂夫·內斯比特(Steve Nesbit)[3]告訴CNBC，美國需要探索新的創(chuàng )新技術(shù)，解決乏燃料問(wèn)題。

他說(shuō)，“先進(jìn)堆開(kāi)始運轉時(shí)，開(kāi)發(fā)、利用這種材料再循環(huán)更有意義。”有可能使乏燃料再循環(huán)，并把乏燃料中的某些元素重新裝入現有的核反應堆群內。但“它更適合用于某些先進(jìn)堆設計”。

他“當然”認識McGinnis，但補充說(shuō)“目前Curio公司對自己的‘底牌’守口如瓶。”

羅格斯大學(xué)教授阿修托什·戈埃爾(Ashutosh Goel)[4]說(shuō)，Curio的目標非常艱巨。Goel曾用所謂的“固化”工藝，做過(guò)核廢物處置方面的研究。

Goel告訴CNBC，“Curio公司的目標雄心勃勃。然而，核能領(lǐng)域內的公司都這樣!” “如果嚴肅考慮減排，同時(shí)還要滿(mǎn)足國家的能源需求，沒(méi)有核能，無(wú)法實(shí)現目標。”

Goel并不知道有個(gè)Curio公司，也不認識McGinnis本人，但在專(zhuān)業(yè)上久聞大名。在核領(lǐng)域，McGinnis是個(gè)著(zhù)名的領(lǐng)導者，他曾是美國能源部的領(lǐng)導人物。Goel說(shuō)，“我希望Curio公司能帶來(lái)新氣象。”

據桑迪亞國家實(shí)驗室(Sandia National Labs)核工程師本·西皮蒂(Ben Cipiti)[5]說(shuō)， Curio公司早期采取的舉措非常明智。他們實(shí)驗室正與 Curio公司共同起草一份政府撥款提案。

Goel告訴CNBC，“我認為，Curio很可能在這個(gè)領(lǐng)域取得進(jìn)展，因為他們的方法吸收了過(guò)去的經(jīng)驗教訓”。“他們正在與國家實(shí)驗室合作，利用最新的研發(fā)成果，以及在這一領(lǐng)域取得成功所需的各種專(zhuān)業(yè)知識。”

McGinnis說(shuō)，“在我看來(lái)，一旦解決了這個(gè)問(wèn)題，核工業(yè)就會(huì )以前所未有的方式，進(jìn)行“特斯拉式”的改革，因為它是核能部門(mén)的沉重拖累，影響公眾輿論、接受度、經(jīng)濟和投資者”。“所以，當最終對‘后端’驗證一個(gè)簡(jiǎn)潔、周到的解決方案時(shí)，核能行業(yè)將開(kāi)始騰飛。”

啟示與見(jiàn)解

Curio公司開(kāi)發(fā)的NuCycle技術(shù)，是乏核燃料“干法”后處理工藝的一種。這類(lèi)工藝的優(yōu)勢是占地面積小，產(chǎn)品商業(yè)價(jià)值高，副產(chǎn)品特別是液態(tài)廢物量小，經(jīng)濟性能優(yōu)于“濕法”后處理，是目前商用核工業(yè)的普遍追求。

“干法”后處理的主要副產(chǎn)品是高強外輻射裂變產(chǎn)物和少量輻射污染物。裂變產(chǎn)物可在現場(chǎng)地表儲存300年，即“變廢為寶”。污染物指工藝過(guò)程產(chǎn)生的長(cháng)壽命、高毒性固體沾污廢物，沒(méi)有回收的經(jīng)濟價(jià)值，需要深地處置。所以任何核大國或地區都要有個(gè)地質(zhì)“處置庫”。美國開(kāi)發(fā)地質(zhì)“處置庫”不成功，不是技術(shù)問(wèn)題，是政治問(wèn)題。這也迫使核工業(yè)開(kāi)始尋求另外的出路，深地鉆孔處置就是一條經(jīng)濟、安全可行的“路徑”[6]。

乏核燃料是寶貴資產(chǎn)，不能與核廢物混為一談。從根本上和眼前現實(shí)看，乏核燃料是現成的、最便宜的核資源，大力發(fā)展核能才是真正的“能源獨立”。只在“沿海”地區建核電站，有失地區“公平”，急迫需要研發(fā)先進(jìn)的“非水冷”反應堆。一切地區和大多工業(yè)部門(mén)，都需要先進(jìn)堆型核電站的輔助、補充。水電也不完全可靠，今年四川、重慶人民應對此有切身體會(huì )。

高放核廢物深層地質(zhì)隔離處置概念

資料與注釋

[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, info@curio-solutions.com

[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