Pyroprocessing-fremskridt tilbyder løsning til brændstof til næste generations reaktorer

Moderne pyroprocesseringsteknikker lover at levere indenlandsk nukleart brændsel til en overkommelig pris til næste generations reaktorer, samtidig med at volumen og toksiciteten af ​​det resterende affald reduceres drastisk.

Omkring 5 % af uran i en letvandsreaktor brændselsstav bruges til at producere energi, før stavene fjernes fra reaktoren og anbringes i permanent opbevaring, hvilket efterlader det brugte nukleare affald (SNF) til fortsat at henfalde med en relativt høj toksicitetshastighed for hundredtusinder af år.

Arbejdet med at genbruge SNF – lige under en tredjedel af de tæt på 400.000 tons, der produceres globalt, er blevet oparbejdet – har givet blandede resultater, der producerer potentielt farlige våbenkvalitetsmaterialer og til en pris, der er betydeligt højere end udvinding af mere uran.

Den nuværende verdensomspændende oparbejdningskapacitet er omkring knap 2.000 tons om året via fabrikker i Frankrig, Storbritannien, Indien og Rusland.

Efter den russiske invasion af Ukraine er sikring af en indenlandsk brændstofforsyning til amerikanske atomreaktorer blevet en prioritet, og en forskningslinje ser ud til at være særlig lovende for næste generation af atomreaktorer, der i øjeblikket er under udvikling.

Forskere ved U.S. Argonne National Laboratory begyndte at arbejde på genanvendelse af hurtig reaktorbrændstof i begyndelsen af ​​tresserne under udviklingen af ​​Experimental Breeder Reactor-II (EBR-II) og senere under programmet Integral Fast Reactor (IFR).

Argonne har udvidet arbejdet, der begyndte med EBR-II, en hurtig neutronreaktor, for at udvikle pyrokemiske processer til genanvendelse af oxid, carbid og andre avancerede brændstoffer.

IFR, en flydende metalkølet hurtigreaktor, blev senere designet til at producere energi og forbruge affald, og mens de arbejdede på den, brugte forskere en pyroproces, hvorved en elektrokemisk reaktion bruges til at adskille de ønskede aktinider fra de uønskede fissionsprodukter til genanvendelse til nyt brændstof .

"Lige nu er vores fokus at flytte pyroprocessing til en klar-til-deploy-tilstand," siger Argonnes Pyroprocess Engineering-sektionsleder Krista Hawthorne.

Pyrobehandling og elektroraffinering

Pyroprocessing tager de hårde keramiske oxidpellets hentet fra letvandsreaktorer – omkring 95 % af dem er stadig uran og yderligere 1 % er langlivede radioaktive grundstoffer aktinider, mens resten er ubrugelige fissionsprodukter – og omdanner oxidbestanddelene til metal.

Dette metal nedsænkes derefter i et kar af smeltet salt, hvor en elektrisk strøm gennem elektroraffinering selektivt opløser og genaflejrer uran og andre genanvendelige grundstoffer, som derefter bruges til at fremstille brændstof, der kan bruges af hurtige reaktorer.

De 4 % af brændstoffet, der er ubrugelige fissionsprodukter, skal stadig bortskaffes via permanent opbevaring, selvom dets radioaktive toksicitet vender tilbage til niveauer af naturligt forekommende uran inden for et par hundrede år, betydeligt mindre end de mange tusinde år, ubehandlet SNF tager. at vende tilbage, fordi de fleste af de langlivede isotoper er blevet genbrugt.

Relativ radiologisk toksicitet af brugte brændstofbestanddele

I dag forbliver LWR standarddesignet for atomreaktorer i USA, hvor råt uran er et billigt og let tilgængeligt brændstof, men efterhånden som hurtige reaktorer rykker tættere på demonstrationer, og i slutningen af ​​årtiet, kommerciel vedtagelse, kunne genbrugt brændsel være normen.

Gennem omfattende arbejde med økonomien ved genanvendelse af brændstof peger Argonnes undersøgelse fra 2018, "Conceptual Design of a Pilot-Scale Pyroprocessing Facility," på levedygtigheden af ​​elektroraffinering som en praktisk løsning til håndtering og genanvendelse af brugt brændsel til hurtige reaktorer.

I forskningen havde et system designet til at genbruge 100 tons brændstof om året samlede kapitalomkostninger på $398 millioner inklusive procesudstyr og supportsystemer, anslået til at koste $93 millioner, og anlæggets omkostninger på $305 millioner.

Opskalering op til 400 tons om året blev anslået til en samlet kapitalomkostning på $911 millioner og årlige driftsomkostninger på $90 millioner.

Siden undersøgelsens udgivelse har Argonne forbedret dette design for at tage det til et kommercielt levedygtigt niveau ved hjælp af den nyeste teknologi.

"Vi gør ting som at integrere nogle af den næste generation af sensorer, som vi har udviklet med processtyring for at forbedre effektiviteten. Vi kigger på at forbedre produktindsamlingsmetoden, sænke omkostningerne ved processerne, og vi også ved at bruge teknikker som maskinlæring," siger Hawthorne.

Argonne er ved at udvikle en digital tvilling af elektroraffineringsmaskinen, som tager feedback fra egenudviklede overvågningssensorer, så holdet er i stand til at identificere og reagere på skiftende elektroraffineringsforhold i realtid.

"Vi arbejder efter disse linjer for at forbedre effektiviteten og arbejde hen imod industrialisering af pyroprocessing," siger hun.

Oklo om bord

Argonnes arbejde, sammen med mikroreaktorudvikleren Oklo, har fanget opmærksomheden hos det amerikanske energiministerium (DOE).

I august fik den amerikanske energiminister Jennifer Granholm en rundvisning i virksomhedens eksperimentelle programmer i Argonne af Oklos grundlæggere, CEO Jacob DeWitte og COO Caroline Cochran sammen med Argonne Lab-direktør Paul Kearns.

Den californiske udvikler er blevet tildelt $11,5 millioner for tre konkurrencedygtige DOE-priser, kanaliseret gennem Technology Commercialization Fund (TFC), ARPA-E OPEN og ARPA-E ONWARDS, for at udvikle avancerede genbrugsteknologier i samarbejde med Argonne.

Oklo blev også tildelt et tilskud via Gateway for Accelerated Innovation in Nuclear (GAIN) til eksperimentelt flydende metal termisk hydraulisk arbejde på Argonnes nye Mechanisms Engineering Test Loop (METL) facilitet.

Virksomheden, som har en brugstilladelse fra DOE til at bygge sit første anlæg ved Idaho National Laboratory (INL) og udviklede den første avancerede kombinerede fission-licensansøgning, siger, at det er på vej til at installere sin første kommercielle avancerede reaktor i USA inden 2025.

Næste generation hurtige reaktorer, såsom Oklos Aurora, understøttes af genbrug af brugt brændsel og tilbyder derfor en tiltrængt løsning til at lukke det nukleare brændselskredsløb.

"Lige nu er affald et stort ansvar, og der er massive udgifter bare til at opbevare det, så hvis nogen skulle betale os for at tage det fra deres hænder, så ændrer det økonomien. Selvom det er gratis, er det stadig gavnligt og økonomisk." siger COO Cochran.

Den nuværende bekymring over omkostningerne ved genanvendelse er ubegrundet, siger Cochran, især når den brænder næste generation af hurtige reaktorer som Oklos Aurora, TerraPowers Natrium eller smeltede saltreaktorer fra Moltex og Elysium.

"Der er ikke nogen egentlig grundlæggende grund til, at det skal være så dyrt. Det er sådan, man driver og regulerer det. Brændstof er vores største enkeltomkostning. Hvis vi kan genanvende det, så kan vi virkelig opnå omkostninger, der er lavere end noget andet på nettet i dag, og det er en stor del af det. " hun siger. + Udforsk yderligere

Sådan forudsiger du fremtidige atomkraftbehov