美国多家初创公司研发可直接燃烧核废料的快堆

在美国各地，超过9万公吨的乏核燃料目前存放在36个州的反应堆场址的钢混干式储存桶中，并且每年还以约2000吨的速度增加。

在公众的想象中，这些堆积的材料被视为耗尽的、无法回收的放射性垃圾，必须深埋于地质处置库中长达10万年。

然而，对核物理学家和热力学工程师来说，这种“核废料”实际上是地球上最丰富、最密集的无碳能源储备之一：常规核电站只提取了铀燃料棒内潜在裂变能的不到5%，便将其丢弃。

如今，一批美国先进核能初创公司——包括在快谱液态金属和熔融氯化物反应堆领域的先驱，如Oklo、TerraPower、Elysium Industries和Curio——正在展示专门设计为以回收核废料而非新开采铀为燃料的反应堆架构。如果美国现有的全部9万公吨乏核燃料都通过快谱焚烧反应堆进行回收，仅这些储存的“废料”所含能量就足以在不开采一磅新铀矿的情况下，以100%容量为整个美国电网供电超过100年。

下一代紧凑型快谱核反应堆电站，毗邻干式储存桶乏核燃料储存设施。

为什么常规反应堆会丢弃95%的燃料

要理解为什么现有核电站会留下燃料中95%的能量，必须看看常规轻水反应堆（LWR）的核心——当今几乎所有商业运营的核反应堆都属于这一类型。从地下开采的天然铀由99.3%的铀-238（$^{238} ext{U}$）——它被慢中子轰击时是“可转换”的而非直接裂变的——和仅0.7%的铀-235（$^{235} ext{U}$）组成，后者是易被慢速（“热”）中子击中而裂变的同位素。

在常规压水反应堆（PWR）或沸水反应堆（BWR）中，燃料芯块被浓缩至约3.5%至5%的$^{235} ext{U}$并浸没在普通水中。水有双重作用：它带走热量驱动蒸汽轮机，其氢原子充当 neutron moderator，与裂变产生的高速中子碰撞，将其从$20,000 ext{ km/s}$（$2 ext{ MeV}$）减速到$2.2 ext{ km/s}$（$0.025 ext{ eV}$），以便它们能分裂$^{235} ext{U}$核。

在常规水慢化反应堆内，累积的裂变产物充当“中子海绵”，迫使操作人员在消耗不到5%的重金属质量后就卸出燃料组件。

然而，在堆芯中经过4到6年后，两种不可避免的物理现象会扼杀链式反应：

焚烧废料的反应堆如何同时消耗剩余的95%铀并摧毁需隔离10万年的超铀锕系元素？答案是彻底从反应堆堆芯中去除水。

当工程师用水替换为重液态金属（如液态钠或铅铋共晶）或熔融氯化物盐（如$ ext{NaCl-UCl}_3$）时，较重的冷却剂核不会减慢中子。

中子以其自然诞生能量0.5至2.0兆电子伏特（MeV）穿过堆芯——大约以光速的5%飞行。

在这些极快的快中子速度下，核截面发生戏剧性翻转，有利于废料嬗变：

工程架构和中子物理规格比较焚烧废料的快堆与常规一次通过轻水反应堆。

在氩气气氛热室内的机械手回收乏核燃料棒的干法处理设施。

干法处理与电精炼：无扩散风险的回收

几十年来，美国的乏核燃料回收因对1950年代水法PUREX化学工艺的担忧而停滞，该工艺将燃料棒溶解在硝酸中并分离出纯的、可用于武器的钚。现代美国以废料为燃料的快堆初创公司使用一种根本不同的、抗扩散的回收技术，该技术由阿贡国家实验室和爱达荷国家实验室（INL）开发：高温电化学干法处理。

在充氩热室内，切碎的乏燃料棒浸没在500°C的熔融锂-钾氯化物盐浴中。

当电流通过熔盐浴时，铀迁移到固体阴极，而钚则与致命的、发射伽马射线的小锕系元素（镅、锔和镎）在液态镉阴极上不可分割地混合在一起。

由于在任何阶段都不会分离出纯钚——且产生的金属或熔盐燃料由于强烈的辐射和热量而保持自保护——燃料可以直接铸造成快堆燃料棒或泵入熔融氯化物堆芯，零核武器扩散途径。

三阶段闭式燃料循环：干法处理乏轻水堆燃料棒，在快中子堆芯中焚烧超铀元素，并将废料放射性毒性从10万年缩短到300年。

将废料时间线从10万年缩短到300年

快谱焚烧废料反应堆最具变革性的好处或许是最终残留副产物的处理。一旦长寿命超铀锕系元素（钚、镅、镎、锔）在快堆芯内裂变，唯一剩下的废料就是真正的裂变产物——主要是铯-137（$^{137} ext{Cs}$，半衰期30.17年）和锶-90（$^{90} ext{Sr}$，半衰期28.8年）。

（原文较长，此处译出前 6000 字，完整内容请点「打开原文」。）