在美國能源部的支持下，阿貢國家實驗室正積極與工業(yè)界展開合作，致力于開發(fā)具有成本效益的核燃料回收技術(shù)，以挖掘核廢料中潛藏的能源價值，推動核能產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
美國各地的核反應(yīng)堆運行過程中會產(chǎn)生大量廢燃料，其中超過95%的廢燃料仍蘊含著寶貴的能源潛力。通過應(yīng)用先進的化學(xué)工藝和新技術(shù)，科學(xué)家能夠?qū)@些材料進行回收，進而產(chǎn)生更多電力，并大幅減少長期放射性廢物的產(chǎn)生。目前，研究人員正全力以赴將這一潛力轉(zhuǎn)化為切實可行且可擴展的解決方案。
美國能源部阿貢國家實驗室的科學(xué)家與位于威斯康星州的SHINE Technologies公司緊密合作，共同設(shè)計一種從廢核燃料中分離有價值物質(zhì)的新型化學(xué)工藝。該工藝采用了創(chuàng)新設(shè)備，如離心接觸器——一種通過旋轉(zhuǎn)有效分離混合液體的裝置，旨在創(chuàng)建一種更安全、更高效且適用于工業(yè)應(yīng)用的回收方法。此項目的核心目標(biāo)是打造一種行業(yè)能夠以經(jīng)濟高效且可擴展的方式采用的回收技術(shù)。
阿貢國家實驗室化學(xué)和燃料循環(huán)技術(shù)(CFCT)部門副主任坎迪多·佩雷拉強調(diào)：“將科學(xué)研究與工業(yè)實施相結(jié)合，對于攻克復(fù)雜挑戰(zhàn)至關(guān)重要。我們的團隊致力于運用阿貢的專業(yè)知識、技術(shù)和研究能力，為私營部門提供世界一流的解決方案。”
然而，回收使用過的核燃料面臨著諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。其一，這種燃料具有高放射性并會產(chǎn)生熱量，這意味著在處理或加工之前，必須對其進行安全儲存和冷卻。燃料回收設(shè)施需配備完善的系統(tǒng)，以保護工作人員免受輻射危害，并妥善處理少量剩余的放射性物質(zhì)。其二，在整個回收過程中，必須確保核材料的安全。無論是新鮮、儲存還是回收的核燃料，都必須嚴(yán)加保護，防止未經(jīng)授權(quán)的接觸或濫用。科學(xué)家們遵循盡早實施“設(shè)計保障措施”原則，以降低資金被轉(zhuǎn)用于非和平用途的風(fēng)險，強大的安保和監(jiān)控系統(tǒng)對于國家安全和國際合規(guī)起著關(guān)鍵作用。
除了技術(shù)和安全層面的考量，回收過程還需具備經(jīng)濟可行性。回收材料需要有買家和實際用途，一些公用事業(yè)公司可能對在先進核反應(yīng)堆中使用回收燃料感興趣，而回收過程中產(chǎn)生的其他有價值副產(chǎn)品，如放射性同位素，可用于太空探索或醫(yī)學(xué)診斷。例如，這些同位素能為深空任務(wù)提供動力，或用于挽救生命的醫(yī)學(xué)檢測。若這些材料存在商業(yè)需求，建造回收設(shè)施將更具經(jīng)濟效益。
開發(fā)成功的回收工藝還需要具備前瞻性。科學(xué)家必須考慮不同反應(yīng)堆設(shè)計對燃料的使用方式，以及未來反應(yīng)堆所需的材料。像阿貢國家實驗室這樣的國家實驗室專家，憑借其獨特資質(zhì)能夠做出準(zhǔn)確預(yù)測，并相應(yīng)調(diào)整回收方法。
核化學(xué)家、阿貢國家實驗室CFCT部門放射化學(xué)組經(jīng)理Peter Tkac帶領(lǐng)團隊?wèi)?yīng)對這一挑戰(zhàn)。特卡茨指出，獲取、儲存或處置純钚存在風(fēng)險和負擔(dān)，因此“優(yōu)化分離步驟并開發(fā)一種不產(chǎn)生純钚流的工藝至關(guān)重要”。在實驗室規(guī)模環(huán)境中，Tkac團隊能夠模擬回收設(shè)施所面臨的高輻射環(huán)境條件，測試分離過程。他們使用阿貢國家實驗室的范德格拉夫電子加速器來模擬核燃料在處理過程中的行為。范德格拉夫加速器是一種粒子加速器，利用靜電產(chǎn)生高壓，將原子粒子加速到目標(biāo)，粒子撞擊目標(biāo)時產(chǎn)生少量放射性，使科學(xué)家能以可控方式模擬輻射效應(yīng)，研究回收過程中使用的化學(xué)物質(zhì)如何隨時間分解，且無需像處理廢核燃料那樣使用厚重屏蔽。
這些實驗室規(guī)模的測試為SHINE和其他合作伙伴就技術(shù)擴大規(guī)模提供了重要決策依據(jù)。SHINE首席技術(shù)官Ross Radel表示：“過去，SHINE與阿貢國家實驗室合作改進治療和診斷醫(yī)用同位素的生產(chǎn)工藝，取得了顯著成果，在國內(nèi)和全球范圍內(nèi)挽救了眾多生命。我們相信，此次通過回收使用過的核燃料減少浪費的合作，將消除核電擴張的主要障礙，確保未來充足的能源供應(yīng)。”
目前，Tkac和他的團隊正與SHINE合作，測試可用于大型設(shè)施的設(shè)備。其中，阿貢國家實驗室的離心接觸器是關(guān)鍵技術(shù)之一。這些裝置通過快速旋轉(zhuǎn)兩種混合液體，依據(jù)密度進行分離，且適應(yīng)性強。研究人員使用3D打印機構(gòu)建定制部件，能夠快速、低成本地測試不同設(shè)計。原型在真實化學(xué)條件下進行測試，產(chǎn)生的放射性廢物極少，是工業(yè)化規(guī)模化生產(chǎn)前早期開發(fā)的理想選擇。Tkac解釋說：“阿貢設(shè)計的離心接觸器技術(shù)可以高效、有效且占地面積小地分離非常復(fù)雜的混合物。我們有一個很好的核燃料回收策略，具體方法將取決于選擇用于能源生產(chǎn)的核反應(yīng)堆技術(shù)。”
隨著我國對清潔可靠電力需求的持續(xù)增長，核能發(fā)展勢頭正逐步復(fù)蘇。雖然目前判斷哪種反應(yīng)堆設(shè)計將引領(lǐng)潮流為時尚早，但可以確定的是，核能正重新成為應(yīng)對21世紀(jì)能源挑戰(zhàn)的可靠解決方案。Tkac表示：“回收使用過的核燃料是一個極其復(fù)雜的過程，很大程度上取決于哪種技術(shù)將占主導(dǎo)地位以及對電力的需求情況。我們需要制定一個良好的策略。”
這項工作得到了美國能源部技術(shù)商業(yè)化辦公室通過技術(shù)商業(yè)化基金的支持。阿貢國家實驗室和SHINE公司的合作是在合作研發(fā)協(xié)議下進行的，旨在充分利用阿貢國家實驗室的科學(xué)專業(yè)知識和SHINE公司的商業(yè)經(jīng)驗，共同推進核燃料回收技術(shù)的發(fā)展。
