打碎阻礙核能發(fā)展的“枷鎖”，解決乏核燃料后處理難題

據(jù)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)，希望通過一種創(chuàng)新的化學工藝，解決美國的乏核燃料問題[1]。這種工藝可對乏燃料進行“后處理”，并將其“再循環(huán)”成先進堆的核燃料，以及太空和醫(yī)療應用的同位素等產(chǎn)品。該公司希望在六年內(nèi)建一個“中試”裝置，2035年之前運營一座價值50億美元、年處理4400噸乏燃料的商用“后處理廠”。

Curio公司首席執(zhí)行官Ed McGinnis

美國核能創(chuàng)新公司(Curio)[2]首席執(zhí)行官艾德·麥金尼斯(Ed McGinnis)， 正在尋求解決美國乏燃料問題的方案。在CNBC網(wǎng)站最近發(fā)表的一篇文章中，McGinnis說，乏燃料是個“非常巨大的、尚未解決的問題，幾乎是美國核能部門試圖轉(zhuǎn)向下一代反應堆面臨的最大難題”。Curio公司已開發(fā)出化學處理乏燃料的NuCycle技術(shù)。據(jù)稱，該公司希望“重塑核能，使之成為釋放人類創(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助理(Acting Assistant Secretary)，對美國的核廢料問題有第一手經(jīng)驗。2022年1月，他加入核能創(chuàng)業(yè)公司Curio，成為其首席執(zhí)行官。

· McGinnis告訴CNBC，Curio公司計劃在解決美國乏燃料(又稱“核廢料”或“用過的燃料”)問題的同時，用乏燃料制造有價值的產(chǎn)品，包括下一代反應堆的核燃料，對太空電池和醫(yī)療過程有價值的同位素，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”，因為政治進一步阻礙了這個“不可行”問題的解決。“但與此同時，我們面臨巨大的、尚未解決的難題，幾乎就是美國核能部門轉(zhuǎn)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(nèi)華達州的奈縣，在拉斯維加斯西北約100英里。

變廢為寶

McGinnis現(xiàn)已不在政府部門工作。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題。這個初創(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。

兄弟倆為開發(fā)下一代先進(核反應)堆，創(chuàng)辦了Curio公司。經(jīng)過某些研究他們認為，已有許多公司在這個領(lǐng)域進行創(chuàng)新，但在乏燃料處理問題上，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。對乏燃料進行后處理，是降低其放射性的一種方法。但世界現(xiàn)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(shè)周期長的創(chuàng)投企業(yè)，還處于“燒錢”階段。但 McGinnis告訴CNBC，它的目標是6年內(nèi)建成并運行一臺“中試”裝置，到2035年建成并運營一個商用乏核燃料后處理廠。

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

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

工作原理

按McGinnis的說法，把傳統(tǒng)反應堆卸出的乏核燃料稱為“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達百萬年。

Curio公司的“核循環(huán)”化學工藝，就是把乏燃料轉(zhuǎn)化為先進堆的新燃料，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(xiàn)有的钚鈾萃取(PUREX)后處理技術(shù)不同，不會帶來“核不擴散條約”方面的問題，因為Curio的工藝流程不分離出高純钚，有“內(nèi)置的自我保護功能”。

Curio公司開發(fā)的“核循環(huán)”(Nucycle)化學工藝，可把乏燃料轉(zhuǎn)化為可用的產(chǎn)品，如先進堆的核燃料，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“細化和驗證這個工藝流程”。其中某些工作涉及與國家實驗室科學家的合作，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(xiàn)有的PUREX(钚-鈾還原萃取)工藝。PUREX俗稱“濕法”，“只在純液流中分離、萃取钚”，在“核不擴散條約”方面可能存在問題。

McGinnis說，“有種工藝永遠不分離純钚。我們永遠不會分離純钚，因為希望強化防核擴散安全，有‘內(nèi)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(qū)，廢物接收與處理設(shè)施(WARP)的設(shè)備經(jīng)理吉姆·吉爾里(Jim Geary)正在檢查三個TRUPACT運輸集裝箱。每個容器內(nèi)裝1455加侖超鈾元素(TRU)廢物桶，這些廢物已經(jīng)過處理，將送往新墨西哥州的廢物隔離試驗廠(WIPP)。

處理乏燃料，最具挑戰(zhàn)性的難題是說服當?shù)厣鐓^(qū)的成員，自愿在他們的“后院”建一個核設(shè)施。“與公眾溝通非常、非常重要。”

Curio公司說，它曾與多個州協(xié)商，把這個“裝置”建在哪里，但拒絕透露在哪幾個州。他們認為，對許多當?shù)厣鐓^(qū)而言，經(jīng)濟上的考慮會有所幫助，是當?shù)厣鐓^(qū)的福音。McGinnis說，“類似這樣的工廠要雇傭3000多個全職高薪的職員。”

社區(qū)不必擔心放射性廢物“會在那里存放1萬年”，乏核燃料再循環(huán)廠選址的談判，比核廢物處置庫的談判要容易得多。

獨立專家怎么說?

美國核學會前主席史蒂夫·內(nèi)斯比特(Steve Nesbit)[3]告訴CNBC，美國需要探索新的創(chuàng)新技術(shù)，解決乏燃料問題。

他說，“先進堆開始運轉(zhuǎn)時，開發(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(xiàn)有的核反應堆群內(nèi)。但“它更適合用于某些先進堆設(shè)計”。

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

羅格斯大學教授阿修托什·戈埃爾(Ashutosh Goel)[4]說，Curio的目標非常艱巨。Goel曾用所謂的“固化”工藝，做過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(nèi)的公司都這樣!” “如果嚴肅考慮減排，同時還要滿足國家的能源需求，沒有核能，無法實現(xiàn)目標。”

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

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

Goel告訴CNBC，“我認為，Curio很可能在這個領(lǐng)域取得進展，因為他們的方法吸收了過去的經(jīng)驗教訓”。“他們正在與國家實驗室合作，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業(yè)知識。”

McGinnis說，“在我看來，一旦解決了這個問題，核工業(yè)就會以前所未有的方式，進行“特斯拉式”的改革，因為它是核能部門的沉重拖累，影響公眾輿論、接受度、經(jīng)濟和投資者”。“所以，當最終對‘后端’驗證一個簡潔、周到的解決方案時，核能行業(yè)將開始騰飛。”

啟示與見解

Curio公司開發(fā)的NuCycle技術(shù)，是乏核燃料“干法”后處理工藝的一種。這類工藝的優(yōu)勢是占地面積小，產(chǎn)品商業(yè)價值高，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(xiàn)場地表儲存300年，即“變廢為寶”。污染物指工藝過程產(chǎn)生的長壽命、高毒性固體沾污廢物，沒有回收的經(jīng)濟價值，需要深地處置。所以任何核大國或地區(qū)都要有個地質(zhì)“處置庫”。美國開發(fā)地質(zhì)“處置庫”不成功，不是技術(shù)問題，是政治問題。這也迫使核工業(yè)開始尋求另外的出路，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(xiàn)實看，乏核燃料是現(xiàn)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(qū)建核電站，有失地區(qū)“公平”，急迫需要研發(fā)先進的“非水冷”反應堆。一切地區(qū)和大多工業(yè)部門，都需要先進堆型核電站的輔助、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。

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, [email protected]

[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