在美國(guó)能源部的支持下，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正積極與工業(yè)界展開(kāi)合作，致力于開(kāi)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(jià)值，推動(dòng)核能產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家正在開(kāi)發(fā)一種利用離心接觸器分離可用于工業(yè)再利用的核材料的工藝。（圖片由阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提供。）
美國(guó)各地的核反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量廢燃料，其中超過(guò)95%的廢燃料仍蘊(yùn)含著寶貴的能源潛力。通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)的化學(xué)工藝和新技術(shù)，科學(xué)家能夠?qū)@些材料進(jìn)行回收，進(jìn)而產(chǎn)生更多電力，并大幅減少長(zhǎng)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(shí)可行且可擴(kuò)展的解決方案。
美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(jì)一種從廢核燃料中分離有價(jià)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(guò)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(xiàng)目的核心目標(biāo)是打造一種行業(yè)能夠以經(jīng)濟(jì)高效且可擴(kuò)展的方式采用的回收技術(shù)。
阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室化學(xué)和燃料循環(huán)技術(shù)(CFCT)部門(mén)副主任坎迪多·佩雷拉強(qiáng)調(diào)：“將科學(xué)研究與工業(yè)實(shí)施相結(jié)合，對(duì)于攻克復(fù)雜挑戰(zhàn)至關(guān)重要。我們的團(tuán)隊(duì)致力于運(yùn)用阿貢的專(zhuān)業(yè)知識(shí)、技術(shù)和研究能力，為私營(yíng)部門(mén)提供世界一流的解決方案�！�
然而，回收使用過(guò)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(huì)產(chǎn)生熱量，這意味著在處理或加工之前，必須對(duì)其進(jìn)行安全儲(chǔ)存和冷卻。燃料回收設(shè)施需配備完善的系統(tǒng)，以保護(hù)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(gè)回收過(guò)程中，必須確保核材料的安全。無(wú)論是新鮮、儲(chǔ)存還是回收的核燃料，都必須嚴(yán)加保護(hù)，防止未經(jīng)授權(quán)的接觸或?yàn)E用�？茖W(xué)家們遵循盡早實(shí)施“設(shè)計(jì)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(xiǎn)，強(qiáng)大的安保和監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于國(guó)家安全和國(guó)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(guò)程還需具備經(jīng)濟(jì)可行性�；厥詹牧闲枰匈I(mǎi)家和實(shí)際用途，一些公用事業(yè)公司可能對(duì)在先進(jìn)核反應(yīng)堆中使用回收燃料感興趣，而回收過(guò)程中產(chǎn)生的其他有價(jià)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(dòng)力，或用于挽救生命的醫(yī)學(xué)檢測(cè)。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(jì)效益。
開(kāi)發(fā)成功的回收工藝還需要具備前瞻性�？茖W(xué)家必須考慮不同反應(yīng)堆設(shè)計(jì)對(duì)燃料的使用方式，以及未來(lái)反應(yīng)堆所需的材料。像阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室這樣的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)家，憑借其獨(dú)特資質(zhì)能夠做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，并相應(yīng)調(diào)整回收方法。
核化學(xué)家、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室CFCT部門(mén)放射化學(xué)組經(jīng)理Peter Tkac帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。特卡茨指出，獲取、儲(chǔ)存或處置純钚存在風(fēng)險(xiǎn)和負(fù)擔(dān)，因此“優(yōu)化分離步驟并開(kāi)發(fā)一種不產(chǎn)生純钚流的工藝至關(guān)重要”。在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模環(huán)境中，Tkac團(tuán)隊(duì)能夠模擬回收設(shè)施所面臨的高輻射環(huán)境條件，測(cè)試分離過(guò)程。他們使用阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的范德格拉夫電子加速器來(lái)模擬核燃料在處理過(guò)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(shí)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(guò)程中使用的化學(xué)物質(zhì)如何隨時(shí)間分解，且無(wú)需像處理廢核燃料那樣使用厚重屏蔽。
這些實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的測(cè)試為SHINE和其他合作伙伴就技術(shù)擴(kuò)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(guò)去，SHINE與阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作改進(jìn)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(guó)內(nèi)和全球范圍內(nèi)挽救了眾多生命。我們相信，此次通過(guò)回收使用過(guò)的核燃料減少浪費(fèi)的合作，將消除核電擴(kuò)張的主要障礙，確保未來(lái)充足的能源供應(yīng)。”
目前，Tkac和他的團(tuán)隊(duì)正與SHINE合作，測(cè)試可用于大型設(shè)施的設(shè)備。其中，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的離心接觸器是關(guān)鍵技術(shù)之一。這些裝置通過(guò)快速旋轉(zhuǎn)兩種混合液體，依據(jù)密度進(jìn)行分離，且適應(yīng)性強(qiáng)。研究人員使用3D打印機(jī)構(gòu)建定制部件，能夠快速、低成本地測(cè)試不同設(shè)計(jì)。原型在真實(shí)化學(xué)條件下進(jìn)行測(cè)試，產(chǎn)生的放射性廢物極少，是工業(yè)化規(guī)�；a(chǎn)前早期開(kāi)發(fā)的理想選擇。Tkac解釋說(shuō)：“阿貢設(shè)計(jì)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(gè)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(guó)對(duì)清潔可靠電力需求的持續(xù)增長(zhǎng)，核能發(fā)展勢(shì)頭正逐步復(fù)蘇。雖然目前判斷哪種反應(yīng)堆設(shè)計(jì)將引領(lǐng)潮流為時(shí)尚早，但可以確定的是，核能正重新成為應(yīng)對(duì)21世紀(jì)能源挑戰(zhàn)的可靠解決方案。Tkac表示：“回收使用過(guò)的核燃料是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，很大程度上取決于哪種技術(shù)將占主導(dǎo)地位以及對(duì)電力的需求情況。我們需要制定一個(gè)良好的策略�！�
這項(xiàng)工作得到了美國(guó)能源部技術(shù)商業(yè)化辦公室通過(guò)技術(shù)商業(yè)化基金的支持。阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和SHINE公司的合作是在合作研發(fā)協(xié)議下進(jìn)行的，旨在充分利用阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)和SHINE公司的商業(yè)經(jīng)驗(yàn)，共同推進(jìn)核燃料回收技術(shù)的發(fā)展。
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