開發(fā)熔鹽快堆，燃料閉環(huán)運行，實現(xiàn)先哲理想

最近，《Reuters Events》網(wǎng)站編輯保羅·戴(Paul Day)發(fā)文說，擔憂核電“高成本、核擴散，加劇了對核廢料再循環(huán)的懷疑”。但通篇看來，似乎文不對題。雖然他在講核電的問題，有人擔心“核擴散”，核廢料的處理，前景不明，但就目前和長遠看，特別是“氣候變化”的危機壓得世界各國喘不過氣來，核電還要大發(fā)展，“核電機組的數(shù)量一旦達到了某個水平，就必須利用核廢料為之提供核燃料”了[1]。而且他接著發(fā)的另一篇文章，幾乎解決了他之前的全部擔憂……

“用過的核燃料(SNF)可以多次再循環(huán)和后處理，供再次使用。但成本高昂、核擴散的擔憂，以及廉價而又豐富的鈾資源，意味著現(xiàn)在可能不是燃料閉環(huán)的理想方式……”

圖1. 法國西部瑟堡(Cherbourg)附近拉和岬(La Hague)，阿海琺(Areva)公司的后處理廠。

在全球范圍內(nèi)，民用核電站產(chǎn)生了近40萬噸SNF，已后處理的不到1/3，而目前商業(yè)后處理的能力大約只有2千噸，每年通過在法國、俄羅斯、英國、印度(可能到2024年，還有日本)的某些工廠，進行后處理……

SNF具有很高的放射性，含有的重金屬，可以在適當?shù)那闆r下用于核武器，而且至少在數(shù)百年甚至數(shù)千年內(nèi)不會失去其放射性。

支持者指出，這種后處理(大部分)有詳細的跟蹤統(tǒng)計，受到很好的控制與保護，雖然今天的技術(shù)還不能完全掌控核廢物的處理方案，但隨著先進堆的發(fā)展，情況會發(fā)生改變。

在美國能源部與環(huán)保署工作幾十年、有核電和乏核燃料再循環(huán)經(jīng)驗的獨立發(fā)言人史蒂文·柯蒂斯(Steven Curtis)說，“如果要在已有的核設施現(xiàn)場銷毀現(xiàn)有的各種水平的乏核燃料，從技術(shù)上講就是用快堆，那么大約能給美國提供200年的能源?！?/P>

產(chǎn)生的大多數(shù)乏核燃料(SNF)儲存在各種料桶和干桶內(nèi)，核工業(yè)和政府只找到兩種方法處理它：再循環(huán)再利用，或者把它深埋地下。

圖2. 乏核燃料在核電廠“干桶”存放

圖3. 芬蘭目前正在建造的地下核廢料儲存庫(示意圖)

這兩種選擇，公眾都不歡迎。

據(jù)莫寧咨詢公司(Morning Consult)民意調(diào)查，在美國，大約有8.6萬噸SNF存儲在33個州75個運行或關(guān)閉的核電廠內(nèi)。相信核能在核電廠內(nèi)工作的人中，支持把乏燃料保存在自己社區(qū)50英里內(nèi)的，不到一半。

在美國已建的三家后處理廠，目前沒有一家在運營?？碌偎拐f，各州領(lǐng)導人都不愿意接受SNF。

柯蒂斯說，“如果我能說服州長接收用過的核燃料，附加條件是在快堆內(nèi)進行再循環(huán)，所有都由國內(nèi)供應，這將為美國1萬億美元的清潔能源行業(yè)帶來幾十年的經(jīng)濟效益?！?/P>

美國國會核廢料基金的資金主要來自家庭電費賬單上的附加費用，估計價值450億美元。自2010年美國能源部結(jié)束給尤卡山(Yucca Mountain)的存儲庫頒發(fā)許可證的努力以來，該基金一直未使用。

柯蒂斯說，僅這只基金就可以幫助啟動一個私營企業(yè)的解決方案。

昂貴的混合物

新一代反應堆開發(fā)商說，他們已找到了安全、簡單和廉價的SNF再循環(huán)解決方案，但今天可用的選擇產(chǎn)生高放射性的混合物，相對新開采的鈾或深層地質(zhì)處置庫(DGP)方案，可能更容易被潛在的武器制造商濫用，而且極其昂貴。

哈佛大學肯尼迪學院，能源、國家安全與外交政策實踐教授馬修·布恩(Matthew Bunn)說，“核能是氣候變化解決方案的組成部分，需要比以前便宜，還要更容易選址，需要公眾相信這是安全的，不會遭受恐怖主義襲擊，也不會導致核擴散。 ”

但“后處理卻與這些準則相反?！?/P>

目前后處理的首要方法是所謂的PUREX工藝(钚-鈾還原萃取，又稱“濕”法)，從SNF提取钚再與貧鈾混合，制造、生產(chǎn)混合氧化物(MOX)燃料。

但是，這非常昂貴。

據(jù)布恩和其他人的《與直接處置乏核燃料相比，后處理和再循環(huán)經(jīng)濟學》研究報告說，1公斤MOX核燃料，包括廢物后處理、加工過程和貧鈾，各種成本約為1公斤低濃縮鈾燃料的六倍。

這個報告說，“如果要成本相等，鈾就必須變得非常昂貴，否則后處理就必須變得成本非常低廉。”

與DGR相比，后處理的表現(xiàn)也很糟糕，而且無論如何，最終仍然需要DGR。

與后處理需要的2200美元/公斤相比(其中包括200美元/公斤處置回收后仍殘留的高放射性廢物成本)，在地下深處的儲存庫中儲存和處置乏燃料的成本估計為600美元/公斤。

布恩說，“重要的是要記住，如果要生產(chǎn)一定數(shù)量的核能，就會留下一定數(shù)量的裂變產(chǎn)物。無論是否進行后處理，都需要核廢料處置庫。”

圖4. 世界乏核燃料商業(yè)后處理能力。(Source: World Nuclear Association)

廉價而豐富的燃料

盡管法國經(jīng)過10年長周期的生產(chǎn)，SNF再循環(huán)的目標并不在于解決核反應堆基本燃料缺乏問題，這種燃料不但便宜，而且充足。

鈾在地殼和海水中自然存在，相當常見，而且核燃料在核電廠總成本中，占比不到1/10。

美國阿貢國家實驗室的首席核工程師羅杰·布洛姆奎斯特(Roger Blomquist)說，“雖然原則上可多次再循環(huán)，但法國人對這種材料只再循環(huán)一次，因為第一次后，技術(shù)難度越來越大。他們?nèi)匀贿@么做的原因是，減少‘用過的核燃料’的體積。這對核材料的理論總毒性沒有很大影響”。

法國人使用PUREX工藝，SNF首先溶解在熱硝酸內(nèi)。美國阿貢國家實驗室一直在開發(fā)更緊湊、經(jīng)濟的方法，稱為高溫后處理(又稱“干”法)，用于這個實驗室的一體化快堆(IFR)，即EBR-II。

據(jù)阿貢的IFR研究一書，即查爾斯·泰勒(Charles E. Till)和 尹·常(Yoon Il Chang)合著的《豐富的能源》，高溫后處理工藝的成本是PUREX工藝的1/7。

不過，只要萃取鈾的成本很便宜，需求相對少，再循環(huán)仍然是乏核燃料的“第二”優(yōu)選解決方案。

布洛姆奎斯特說，“鈾的成本這么低，一個原因是沒有建造足夠數(shù)量的反應堆。如果真的建造了很多反應堆，就需要再循環(huán)，而且再循環(huán)將是經(jīng)濟的。核電機組的數(shù)量一旦達到了某個水平，就必須利用核廢料為之提供核燃料?！?/P>

第四代熔鹽堆設計就靠乏核燃料運轉(zhuǎn)[2]

這里講的是北美地區(qū)即將示范的Moltex、Elysium公司的設計……

乏核燃料(SNF)再循環(huán)和后處理可能很昂貴，也有核擴散的擔憂，但先進堆開發(fā)商Moltex和Elysium公司說，他們的技術(shù)將改變這個行業(yè)處理核廢料的方式。

圖5. 藝術(shù)家演繹的SSR-W型核電廠現(xiàn)場

20世紀60年代至70年代，美國首次出現(xiàn)了熔鹽堆(MSR)研究，當時核能還處于起步階段，橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的熔鹽堆實驗裝置(MSRE)功率為7.34 MW。

但在商業(yè)上，MSR被放棄了，輕水堆成為了“默認”的品牌。

顧名思義，MSR在反應堆堆芯使用熔鹽，而不是水，這使它效率高，有負荷跟蹤能力、增強安全的特性，以及在高溫下運行的能力。

隨著新技術(shù)引入一系列第四代先進堆，Elysium和Moltex公司正在開發(fā)的那些設計具有靠SNF運行的額外的優(yōu)勢。開發(fā)商說，這兩種設計都能確保安全，而且成本有競爭力。

Moltex公司(北美)首席執(zhí)行官羅里·奧沙利文(Rory O’ Sullivan)說，“通常情況下，其他再循環(huán)利用的嘗試并不經(jīng)濟，這就是為什么它們沒有繼續(xù)進行下去，而我們設計的經(jīng)濟性能，卻有很大的利潤空間。似乎真的非常可行，在經(jīng)濟上很有意義?！?/P>

所謂的“社會許可”，即公眾接受這項技術(shù)的程度，對兩個開發(fā)商也是重要的推動力。

奧沙利文說，“社會上仍然有很多人反對核廢料;認為不應加以處置，甚至起初就不應存在。所以我們的確要看到，我們的反應堆設計的最大優(yōu)勢，就是處理、銷毀長壽命的核廢料?！?/P>

圖6. 2018年底世界天然鈾生產(chǎn)與反應堆消耗(噸數(shù))

氯化乏核燃料

Elysium 公司首席技術(shù)官兼創(chuàng)始人埃德·菲爾(Ed Pheil)解釋說，Elysium的設計是個氯化物熔鹽快堆(MCSFR)，把小塊的SNF倒入熔融的、攝氏500度的鈉和鉀的氯化物(或稱之為食用和鋪路的鹽)中。

許多SNF，即剩余的鈾、钚、微量錒系元素和裂變產(chǎn)物，變成氯化物，只留下某些濾出的貴金屬，和收集的惰性氣體。

菲爾說，這并不是美國能源部國家核安全管理局(NNSA)定義的“后處理”。

菲爾說，“我們正在再循環(huán)的核廢料，除了天然存在的元素，即廢氣和微粒之外，沒有任何相關(guān)的分離。”“但這還不足以運行反應堆。還需要加入易裂變的材料。”

在美國，額外的易裂變材料是武器級钚，存量超過約61.5噸。

菲爾解釋說，Elysium的反應堆要用十“份”儲存的核燃料和一“份”钚。還補充說，他們的反應堆要使武器級的钚“改性”，然后送入反應堆啟動，因此不能用于任何武器，也絕不經(jīng)稀釋即儲存在屏蔽容器中——這是當前美國政府的計劃。

菲爾說，Elysium公司可把高溫處理工藝，從七個不同的化學步驟減少到一步，能使其成本低于濃縮鈾[3]。

菲爾說，“我們希望到2025年開始建個核燃料生產(chǎn)‘中試’裝置。到那時，由于我國正在銷毀武器級的钚，我們的‘收益流’將從銷毀钚和乏燃料開始。”(銷毀多余的武器級的钚，由國家出資。)

圖7. Elysium設計的氯化物熔鹽快堆(MCSFR)

加拿大的Moltex

總部位于英國/加拿大的Moltex能源公司，其穩(wěn)定熔鹽堆-燃燒器(SSR-W)設計，用傳統(tǒng)乏燃料芯塊中的低純?nèi)埯}核燃料，也不用泵使燃料鹽環(huán)繞系統(tǒng)循環(huán)。它有自己的再循環(huán)工藝——從核廢料到穩(wěn)定鹽(WATSS)設施。

這個公司說，根據(jù)首個1GW機組運營和維護(O&M)的保守估算，其SSR的平準化能源成本(LCOE)的平均成本估計值為 $44.64/MWh，遠低于EIA(美國能源信息署)對新燃煤和燃氣發(fā)電機組的成本預測，后者的LCOE分別為 $95/MWh和 $75/MWh。

今年5月，這個反應堆完成了加拿大核安全委員會(CNSC)的“頒證前供應商設計審查”(VDR)三個階段的第一階段，目前處于第二階段[4]。

今年3月，Moltex公司獲得加拿大戰(zhàn)略創(chuàng)新基金和大西洋加拿大機遇機構(gòu)提供的5050萬美元資金，用以推進該技術(shù)。

這個公司已與安大略電力公司的加拿大核可持續(xù)性發(fā)展中心、新不倫瑞克電力公司達成合作協(xié)議，并希望利用加拿大對開發(fā)小型模塊化反應堆(SMR)、核能供應鏈和坎杜型(CANDU)核廢料庫存的權(quán)益，以啟動其發(fā)電廠。

Moltex能源公司計劃本世紀30年代初，在新不倫瑞克省的圣約翰啟動首個300 MW的SSR-W和WATSS設施。

盡管這個項目在加拿大市場取得種種進展，但并非沒有爭議。

今年5月，美國防擴散專家和前政府官員和顧問，給加拿大總理特魯多寫了一封公開信，表達他們對政府為Moltex提供財政支持的擔憂。

他們在信中說，“我們主要擔心的是，通過支持乏燃料后處理和钚提取，加拿大政府會危害全球武器不擴散制度，加拿大曾為強化做了很多工作。”

Moltex公司的答復說，雖然傳統(tǒng)的SNF后處理可能有核擴散問題，但它的WATSS工藝流程會繞過這類的問題。

Moltex公司在答復中說，“作者非常正確地表達了對常規(guī)后處理項目可能導致武器可用材料風險的擔憂。這種工藝，既復雜又昂貴，加拿大不能接受，也沒有經(jīng)濟意義?！?/P>

它說，“作者不知道我們的WATSS工藝，因為公開的只是高層細節(jié)。它一直設計得沒有能力生產(chǎn)武器級的核材料?！?/P>

熔鹽快堆能實現(xiàn)核能先哲的理想

從根本上講，核能是宇宙間所有能源之源，包括人類最希望依靠的各種可再生能源，而且特質(zhì)與周圍環(huán)境無關(guān)，更不用說“氣候變化”了!人類探索(不是“征服”)宇宙，脫離太陽系，只能依靠核能!

不同能源，經(jīng)濟成本很重要?？於?，特別是熔鹽快堆能解決成本問題，這是它相對其他核技術(shù)的“比較”優(yōu)勢。因為熔鹽快堆可用一切天然易裂變(232U)和可增殖(232Th、238U)核材料啟動反應堆;燃料是液態(tài)，提取、制作最簡單，在經(jīng)濟上，其他堆型無法超越。單是原始材料提純、加工制造成型，就會使核燃料的成本翻幾番，更不用說乏核燃料再循環(huán)利用的難度了。用其他堆型卸出的乏核燃料做原料，熔鹽堆工藝最簡單，甚至只有“一步”，工藝成本大大降低……

“防擴散”是政治概念。有些國家即使不計成本，也沒有從商用堆卸出的乏燃料制成核武器;恐怖組織不惜代價，至多只能制造個“臟彈”而已。熔鹽堆，既可在工藝上杜絕，又可用“改性”方法防止偷竊?，F(xiàn)有的防護監(jiān)控手段和核保障措施足矣。

行業(yè)內(nèi)專家最憂慮的是電廠“運行維修”的人身安全和設備、管道系統(tǒng)材料的腐蝕問題。就Moltex的設計而言，可以做到比現(xiàn)代壓水堆還安全;至于Elysium的設計，與上個世紀60年代美國橡樹嶺國家實驗室成功運行4～5年的熔鹽堆實驗裝置(MSRE)整體布置類似，設備材料都是ASME規(guī)范標準的，又有目前現(xiàn)代技術(shù)進步(如人工智能和機械人技術(shù))，現(xiàn)場遙控監(jiān)視、檢測和維護方面，能確保設施和運行與維修人員的輻射安全。

重要的問題在于實踐，通過示范裝置運行發(fā)現(xiàn)問題，消除隱患。Moltex的設計，本無必經(jīng)示范，即可在20年代后期投入商用，但加拿大堅持用坎杜堆卸出的乏燃料做首堆啟動核燃料，花費時間長，閉路循環(huán)，需要示范驗證;美國能源部已決定出資、支持Elysium，2025年開始建核燃料生產(chǎn)“中試”裝置;比爾蓋茨支持的泰拉能源公司的MCFR設計與Elysium的MCSFR基本相似，將在愛達荷國家實驗室(INL)先建個發(fā)電能力不到50 kW的示范裝置，預計將于2026年投入使用……

中國科學院上海應用物理研究所，早年曾與美國能源部橡樹嶺國家實驗室合作，后獨立開發(fā)了TMSR-LF(液態(tài)燃料釷基熔鹽堆)，其原型堆2 MWe已建成，正在調(diào)試，有可能最早獲得突破……

圖8. 中國甘肅武威釷基熔鹽堆綜合實驗基地示意圖(右下方為TMSR-LF)

世界核科學研究的先哲們，早就預想到它面對的難題和“用于和平”的前景：核材料入堆發(fā)生核裂變生產(chǎn)核能，連續(xù)加入新燃料，不斷排除裂變產(chǎn)物，“50 年以上無需凈化或在不去除錒系元素情況下進行在線凈化”(Elysium)[5]。運行中產(chǎn)生的廢物只是各種裂變產(chǎn)物，300～600年內(nèi)可衰變?yōu)闊o害、非常珍貴的“稀有金屬”。產(chǎn)生的某些高放污染和退役廢物，可調(diào)制打包，送入深地處置庫(DGR)永久儲存……

科學發(fā)展到今天，先進快堆技術(shù)已經(jīng)開發(fā)、設計完成，有必要、也有可能實現(xiàn)先哲們的理想。

資料與注釋：

1 Paul Day, High costs, proliferation concerns feed doubts over waste recycling, Reuters Events, Nov 24, 2021

2 Paul Day, Moltex, Elysium reactors to put used fuel to work, Reuters Events, Nov 24, 2021

3 ELYSIUM, MOLTEN CHLORIDE SALT FAST REACTOR (MCSFR)，March 2017

4 CNSC, Phase 1 pre-licensing vendor design review executive summary: Moltex Energy, Executive Summary, 2021-05-25。1階段：供應商核電站設計全面評估;2階段：確定設計的任何潛在的基本障礙;3階段：跟蹤，就2階段發(fā)現(xiàn)的某些問題，交流信息，提供后續(xù)設計準備活動。(CNSC, Pre-Licensing Vendor Design Review, Pre-Licensing Vendor Design Review)

5 CH，先進能源科技動態(tài)監(jiān)測快報，2018年第22期(總第324期)，p.13-14