美国核废料再处理技术蓄势待发

研究人员正在努力转化最顽固的放射性废料

美国积累的9万吨放射性核废料长期以来一直是个负担，但研究人员越来越将其视为一种资源。新的乏燃料转化技术、特朗普政府的核燃料循环新指令，以及拜登时代4000万美元研究项目的资助，这些因素共同推动着核废料的商业化再利用。

政府政策支持力度空前

在5月23日宣布的一系列行政令中，美国总统唐纳德·特朗普指示美国能源部制定国内核废料回收建议，并寻找与私营部门合作的机会。今年1月，美国能源高级研究计划署(ARPA-E)开始向11个研究小组提供4000万美元资金，这些小组正在开发能够减少核废料放射性和数量的嬗变技术。

这笔资金来自ARPA-E的”核能废料嬗变优化计划”(NEWTON)，该计划于2024年7月在拜登政府期间宣布，目标是到2050年代使整个美国核燃料库存的回收在经济上可行。

两届政府的联邦支持促使物理学家和能源研究人员将注意力转向核废料，努力实现联邦政府的宏伟目标。位于威斯康星州詹斯维尔的聚变初创公司Shine Technologies首席执行官格雷格·皮弗说：”这在技术上是可能的，但需要大量投资和国家的实质性承诺，才能在30年内真正实现。”该公司从ARPA-E的NEWTON计划中获得了400万美元资金。

核废料再处理

闭合核燃料循环涉及分离占核废料95%以上的铀和钚，并将它们作为燃料回收到反应堆中。能源研究、投资和战略公司Veriten的核能和电力战略高级总监布雷特·兰帕尔表示，这项技术已经成熟，但大规模商业化成本高昂。目前没有技术能够实现完全的铀和钚提取，因此第一步总会留下一些材料。

核废料中另外5%由长寿命放射性物质组成，无法作为燃料重复使用，传统上需要放置数十万年才能衰变。如何处理这5%的废料正是ARPA-E和多家公司试图解决的难题。

许多研究小组正在寻找经济有效的方法，通过嬗变技术将放射性废料的寿命缩短到几十年或几百年。

创新技术带来新希望

总部位于巴黎的核燃料循环公司Orano副总裁柯蒂斯·罗伯茨说：”乏燃料充满了好东西。人们开始看待过去被视为大堆废料的东西，发现如果提取这个部分，所有这些碎片在很多情况下都有价值。”

Orano和Shine计划从乏燃料回收过程中提取长寿命同位素的价值，包括传统上被留下衰变的最后5%废料。过去十年中，Shine已经将同位素分离技术商业化，用于癌症治疗等医疗应用。现在，皮弗相信同样的策略可以应用于核废料。

在Shine的技术中，中子——其聚变过程的副产品——被射向核废料中的长寿命同位素，将它们分解成短寿命同位素。皮弗说：”当应用于某些市场时，中子实际上可能比聚变产生的能量更有价值。”该公司将分离出有价值的同位素，如锶-90(在海洋和航空航天工程中有燃料应用)，并使用中子将其余部分嬗变成短寿命同位素。熔盐将包含这些同位素，以降低剩余放射性相关的风险。

这种方法可以将废料减少到整个乏燃料的一小部分。如果成功，Shine将把从大部分废料中回收的铀和钚出售给合作伙伴，后者可以将其制成燃料棒来供应核反应堆。皮弗的目标是在2030年代运营一个试点工厂。他说：”对我们来说，仅仅拥有9万吨这样的物质就已经有了相当可靠的商业案例，而且我们每年还在用当前的反应堆机组增加约2000吨。”

中子技术的关键作用

由于中子对嬗变至关重要，ARPA-E也在投资创造中子的方法。今年1月，ARPA-E向橡树岭国家实验室提供了260万美元，向阿贡国家实验室联合提供了1020万美元，用于开发生成中子的粒子加速器。

另一个NEWTON获奖者、位于康涅狄格州纽黑文的耶鲁大学分拆公司Omega-P R&D，旨在证明紧凑型粒子加速器可以在实验室规模上工作来产生中子。这项被称为氘核回旋自共振加速器(dCARA)的技术依靠循环结构，在螺旋轨迹上加速离子——中子的成分——来产生高能中子束。与传统粒子加速器相比，dCARA版本工作效率更高，体积更小，只有几十米而不是几百米。它每秒每台加速器产生的中子较少，但机器建造成本更低。

机器更小，这表明它们可以在区域内部署，例如在运行的反应堆附近，在全国范围内实现与一台大型机器可能达到的相同程度的嬗变。这种策略降低了整个嬗变过程的风险，因为一台加速器出现问题不会像单一大型加速器那样影响整个供应链。

历史背景与发展趋势

美国研究人员最初在1940年代作为曼哈顿计划的一部分开发了从乏核燃料中分离铀和钚的能力。但核废料回收在冷战期间停滞不前，在美国没有达到商业规模。(1966-1972年期间，纽约确实有一个商业设施短暂运营，对政府拥有的国防和商业电力反应堆的乏燃料进行再处理。)

1977年，美国总统吉米·卡特作为反扩散措施关闭了乏燃料再处理，因为提取的钚可以被浓缩制造武器。当燃料回收在美国总统罗纳德·里根时期重新开放时，这项技术成本太高，在商业上不具有成本效益。如今，情况已经发生了变化。

特朗普5月份的行政令要求评估美国的乏燃料再处理做法，在新兴行业中获得了广泛积极的回应。该命令给能源部八个月时间报告管理核废料和开发具有改进回收工艺的可持续长期燃料循环的建议政策步骤。该命令还要求能源部考虑政府拥有、私人运营的核燃料回收设施。

全球发展现状

在全球范围内，只有少数几个国家具备核燃料再处理能力，包括法国、俄罗斯、中国、日本和英国。这些再处理设施处理商业和国防相关的核废料，主要针对可以分离成铀和钚同位素的材料。虽然法国、日本和俄罗斯等地正在开发从废料中回收其他同位素的技术，但这些努力尚未大规模商业化。目前，燃料回收后剩余的废料被玻璃化，然后铸入不锈钢或其他可以储存数千年的包装中。

随着技术不断进步和政策支持力度加大，美国核废料再处理产业正迎来前所未有的发展机遇。从技术层面看，新的嬗变技术有望大幅缩短放射性废料的衰变期；从经济层面看，将废料转化为有价值的资源正在成为现实；从政策层面看，政府的持续支持为行业发展提供了强有力的保障。

未来几十年，随着更多研究成果的转化和试点项目的实施，美国有望在核废料处理领域取得重大突破，不仅解决长期以来的环境负担，还能为清洁能源发展开辟新的道路。获取更多有价值信息 访问：https://byteclicks.com