高温处理文件

2017年8月12日上午11:09
艾德莱曼
核能安全主任

Ralph Vartabedian的文章洛杉矶时报凸显了能源部数十年来在爱达荷国家实验室(Idaho National Laboratory)对乏燃料进行化学处理的努力的失败,表面上是为了将废物转化为更安全的形式,以便在地质存储库中处理。第二个目标是证明一种新型处理乏燃料的可行性,即热处理。相反,它展示了这项技术的众多缺点。

(来源:爱达荷国家实验室)

特别重要的是,要传播关于能源部这个项目失败的准确信息,以消除有关热加工的一些神话。“整体快速反应堆”的概念——一种金属燃料快中子反应堆,同时拥有高温处理和燃料制造设施——吸引了众多坚定的拥护者。

除了最先开发这项技术的阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory),大众媒体也在推广这一概念(最著名的是2013年的纪录片)潘多拉的承诺)和通用日立公司(GE-Hitachi),后者正试图将类似的系统商业化。韩国长期以来一直寻求能够实施这项技术,中国、日本和俄罗斯等国家都表示有兴趣进行这项研究。但这种兴趣很大程度上是由理想化的书面研究驱动的,而不是由实际经验得出的事实驱动的。

能源部内部文件揭示了问题

《洛杉矶时报》文章指的是我在6月的一次国际会议上发表了报告,该会议引用了UCS应《信息自由法》(FOIA)的要求而收到的文件。UCS于2015年提出了这一请求,以寻求信息,以阐明美国能源部的问题项目,即从关闭的实验增殖反应堆ii (EBR-II)中高温处理26吨“钠结合”金属乏燃料。

热处理是一种将金属基乏燃料溶解在熔盐浴中的乏燃料再处理形式(与传统的将乏燃料溶解在水基酸溶液中的乏燃料再处理不同)。可以理解的是,考虑到所有这些问题,能源部一直不愿公开该项目的信息,该项目自2000年以来基本上一直在秘密运作。

我们获得的《信息自由法》文件揭示了能源部的又一个故事,大量公共资金被浪费在一项未经证实的技术上,远远低于能源部用来向国会、爱达荷州和公众推销该项目的不切实际的预测。然而,现在停止这个计划还为时不晚,还可能为纳税人节省数亿美元。

高温加工程序的历史

美国能源部最初在20世纪90年代中期启动了EBR-II乏燃料的高温处理计划,作为阿贡-西部国家实验室(现在是爱达荷国家实验室的一部分)取消整体快速反应堆(IFR)计划后的安慰奖。当时的想法是,反应堆中以金属为基础的乏燃料可以在与反应堆相连的设施中进行高温处理,提取钚、铀和其他元素,制成新的反应堆燃料。理论上,这个系统可以在现场将核废料转化为可用的燃料,因此在很大程度上可以自给自足。热裂解法被宣传为一种更简单、更便宜、更紧凑的方法,可以替代法国、英国、日本和其他国家使用的传统水再处理厂。

虽然美国能源部在1994年关闭了EBR-II (IFR计划的反应堆部分),但它允许在高温处理设施继续工作。它的理由是,EBR-II剩余的乏燃料不能直接在计划中的亚卡山储存库中处理,因为乏燃料元素中存在金属钠,用于将燃料“粘合”到包裹它的金属包层上,存在潜在的安全问题。(金属钠与水和空气发生剧烈反应。)

高温处理将把钠从其他乏燃料成分中分离出来并使其中和。2000年,美国能源部决定对所有剩余的EBR-II乏燃料——包括“驱动”燃料和“包式”燃料——采用热处理法,尽管它承认有更简单的方法可以从轻度辐照的包式燃料中去除钠,后者占库存的近90%。

进展甚微,成本超支

然而,正如《信息自由法》文件所详细揭示的那样,高温处理技术根本没有很好地发挥作用,远远低于最初的预测(图1)(参考文献1-3)。尽管能源部最初声称,所有库存将在2007年之前处理完毕,但截至2016财年末,大约26公吨的乏燃料中只有15%得到了处理。已花费2.1亿美元以上,每公斤处理的燃料平均费用约为5万美元。按照这个速度,要到本世纪末才能完成全部库存的高温处理,额外成本超过10亿美元。

但即便如此,也不现实地假设,这些设备将在这段延长的时间内继续可用。此外,储存的废燃料中有很大一部分已经降解,在任何情况下都可能不适合进行高温处理(参考文献4)。由于能源部与爱达荷州达成协议,要在2035年之前将所有乏燃料从该州移除,因此完成这项工作需要很长时间。《信息自由法》文件显示,美国能源部清楚地意识到它没有在履行这一义务的轨道上(参考文献5)。然而,美国能源部没有就此发表任何公开声明,并继续坚持它可以在最后期限前完成这一义务。

浪费更多,而不是更少

不纯铀废料沉积在高温处理电池的阴极上(来源:爱达荷国家实验室)

这种燃料的热加工过程到底完成了什么?它不仅没有使乏燃料的管理和处置变得更简单、更安全,反而造成了更大的混乱。高温处理将废燃料分离成三种主要的废物流。第一种是被称为“乏燃料处理产品”的浓缩铀金属材料。由于这种材料含有高水平的钚和其他污染物,除非进一步提纯,否则不能用于制造新的核燃料;因此,它是一种废物。与此同时,这些材料正在积累并占用国际实验室储存设施的宝贵空间,导致其自身的安全问题。

第二个废物流是熔盐浴,用于溶解乏燃料。裂变产物和钚已经在这种盐中积累了20年。最终它将被移除并安全处理。但由于各种原因,包括成本和缺乏必要设备的可用空间,inl正在重新考虑将这种废料转化为稳定的陶瓷废料形式的原计划。相反,它可能只是让它冷却,直到它变硬,然后直接在新墨西哥州的废物隔离试验工厂(WIPP)处理它(参考文献6)。

第三种废料流包括包裹核燃料的剩余金属包层管,以及延伸到燃料区域上方的金属包层,这些金属包层受到裂变产物和钠的污染。最初的计划是将这些废料转化为稳定、均匀的废物形式。但《信息自由法》文件显示,美国能源部也在重新考虑这一计划,并考虑将这种材料重新定义为超铀或低放射性废物,这样就可以在WIPP或低放射性废物处理设施中进行处理,而无需进一步处理。堆积的金属废料的储存也成为国际实验室日益增加的负担(参考文献7)。

换句话说,高温处理已经将一种潜在的困难的核废料形式转化为多种具有挑战性的核废料形式。能源部已经花费了数亿美元,却只是放大了浪费问题,而不是简化了浪费问题。鉴于其他《信息自由法》文件显示,能源部从未明确得出直接处理钠基乏燃料不安全的结论,这尤其令人愤慨。但它坚持追求热加工,而不是进行可能表明没有必要的研究。

每个对热加工感兴趣的人都应该重新评估他们的观点,因为在过去20年里,INL在实施这项技术时遇到了现实问题。他们还应该注意到,用于处理EBR-II乏燃料的工艺的变化比提取钚和其他锕系元素以生产快速反应堆新燃料所需的工艺要简单。换句话说,这项技术要成为发电的实用方法还有很长的路要走。追求对一次性核电系统的改进,要比浪费更多的时间和金钱在会带来扩散、安全和安全风险的再处理技术上更有意义。美国能源部继续考虑热加工燃料的替代方案(参考文献8)。应认真考虑不经加工直接处置剩余库存燃料的可能性。

《信息自由法》文件链接

以下是UCS根据《信息自由法》请求获得的一些文件的链接。我们将尽快提供更多的文件和分析。

  1. 阿贡国家实验室乏燃料处理实施计划(2000年)
  2. 国际原子能组织钠结合乏核燃料优先处置计划(2007年)
  3. 加工历史(截至2013年)
  4. 非候选燃料处置技术评价(2014年)
  5. 2014年INL环境负债电子表格
  6. 盐废物处理方案技术评价(2014年)
  7. 辐照钠键燃料处理后金属废料处理方案(2014年)
  8. EBR-II地毯式处置方案技术评价(2014)