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《我国首次攻克核废料排放问题》

  • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
  • 编译者： guokm
  • 发布时间：2023-12-04

  • 近日，从中国建筑材料科学研究总院有限公司传来喜讯，该公司旗下的瑞泰科技成功自主研发出玻璃固化焦耳炉用高性能熔铸耐火材料。这一突破是我国在核废料处理领域的重要里程碑，它将为推动我国核能源工业的安全和可持续发展注入强大的动力。

    放射性废物处理是核能利用的关键环节之一，也是实现核工业闭式循环的关键所在。目前，国际上最先进的废液处理方式是将放射性废液和玻璃原料进行混合熔解，在1100℃或更高温度下形成玻璃体。这种玻璃体具有低浸出率和高强度等特点，能够有效地包容放射性物质，并形成稳定的形态。

    焦耳炉作为高放废液玻璃固化工程技术的核心设备，其内衬熔铸耐火材料的生产一直是玻璃固化技术国产化的技术瓶颈，严重制约着我国核废料处理工程技术的发展。瑞泰科技此次研发的熔铸耐火材料——熔铸锆铬刚玉产品，以铝–铬固溶体为主晶相，展现出良好的化学稳定性和卓越的抗硼硅酸盐玻璃液侵蚀性能。这款产品具有完全自主知识产权，将为我国核废料处理工程技术进步提供重要的材料支撑。

    这一突破标志着我国在核废料处理领域的重大进展，为核能源工业的安全和可持续发展注入了新的动力。瑞泰科技的熔铸耐火材料将为我国核能利用的可持续发展保驾护航。

  • 原文来源：https://www.in-en.com/article/html/energy-2328814.shtml
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  • 《熔盐堆新设计运行成本更低，还能消毁核废料》
    • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2022-01-05
    • 美国资深报业人士、能源专家、史蒂文斯理工学院荣誉工程博士卢埃林·金(Llewellyn King)前年四季度在《Forebes》网发文[1]，称颂天堂技术(现为天堂工业)公司(Elysium Industries)推出的氯化物熔盐快堆(MCSFR)设计，甚至说产生了“轻水反应堆已‘日暮途穷’”的感觉…… 美国天堂工业公司提供的系列熔盐堆核电装置设计 如果你想设计一辆车，你会有一些常数，比如四个轮子。对于一辆汽车来说，你可以利用数百万小时的设计时间，以及数万亿年的运行经验。 但如你想设计一个核反应堆，这方面几乎没有任何限制。实际上，有许多令人难以置信的设计可能性。 数百种反应堆设计已经写在纸上，恒定的很少。需要一种易裂变燃料，或带有裂变“触发器”的可增殖燃料元素，但除此之外没有限制。关于反应堆设计的所有信息并不都是可以获得的，因为要么是专利的，要么是机密的。 反应堆燃料、慢化剂、尺寸、运行特性都有广泛的选择。此外，每种反应堆类型，都有巨大的变化。选择最佳的设计是个挑战。 这个任务的特点，在某种程度上取决于选择以及科学可行性。还有某些所谓的外部因素，即与发电的主要目的无关的因素。 这些措施包括在所有条件下的安全措施：地震、飓风和海啸。反应堆还必须是防“扩散”的。如果出现什么问题，安全系统必须是“故障安全”型的。 在反应堆多年的发展中，有许多反应堆方面的想法。在我50多年参与的讨论中，有个想法反复出现：熔盐。 有许多消息灵通的核设计师相信，熔盐是走过的路，而且仍然是前进的道路。关键在于另外的方面。 核能要反复思考 没有人会争论汽车的基本知识。关于核的一切都有待于科学辩论。而这种辩论则是核领域的永久特征：评估和重新评估。 熔盐堆并不新鲜。20世纪50年代到70年代，在美国田纳西州的橡树岭国家实验室，对它们进行了明确的研究。那是反应堆设计的创造性时期，尤其是在实验室天才、传奇的负责人阿尔文·温伯格(Alvin Weinberg)的领导下。我很幸运地认识了温伯格。 但是，在能源部(DOE)之前的原子能委员会致力于建造轻水反应堆，这种反应堆的一个变体已为核海军提供动力，另一变体在电力行业取得成功。 工业资金、公用事业需求和各种政策受政府影响。海曼·里克弗(Hyman Rickover)支持轻水，只支持轻水。他们担心轻水，即这种成功且可行的技术，会因技术上相互竞争被削弱，其中包括熔融盐。 这个核机构不想要免费的技术，而里克弗，这个核海军专横跋扈的前辈，我也很幸运地认识，可以影响对核的政治支持，这起源于原子能联合委员会。这个委员会控制着核能在众议院和参议院的命运，也是唯一有权提出立法的委员会，使其在国会历史上具有独特的影响力。 尽管如此，科学家和工程师们对没有走的道路，说话含糊不清;科学牺牲在轻水祭坛上。 如今，有一种感觉，就是轻水反应堆已“日暮途穷”。有个活跃的企业家群体在推广各种反应堆设计，特别是由于美国能源部为小型模块化反应堆(SMR)提供了种子资金。这些“小兄弟”应该比它们的“老大哥”们更便宜、更灵活。 某些SMR设计是革命性的，比如比尔·盖茨支持的行波反应堆。其他的设计，比如领先的NuScale反应堆，都是建立在轻水技术基础上的。SMR的成本节约来自在现场之外的工厂制造这些新一代的反应堆。 但业内人士对这些说法表示怀疑：目前还没有一个设计证实了它自己。 NuScale公司正在能源部的爱达荷泉现场建设它的模块化SMR，有一份合同，将电力出售给一个农村电力合作社的联合企业，其中两个成员，最近由于成本螺旋上升的预测而退出。这就抑制了SMR的热情，人们的注意力又回到1000 MWe及以上的大型反应堆上。 两个企业家进场 在这场争论中，有两位企业家更新了熔盐快堆(MSFR)设计。他们是卡尔·佩雷斯(Carl Perez)和艾德·菲尔(Ed Pheil)，他们是天堂工业公司的联合所有者。 据佩雷斯和菲尔说，价格是一大“卖点”。他们的1200MWe的反应堆不承受高压，但在高温下运行，大幅降低了电厂辅助设施(BOP)如安全壳结构和燃料等的成本。 此外，也可能是决定性的销售因素，因为它将是个含有熔盐燃料的快堆，能用现代核电厂用过的核废料(即乏燃料)做燃料，并随着时间的推移，燃烧净尽。快堆的中子无须慢化，不需要轻水堆必须的水那样的“慢化剂”。 菲尔在海军反应堆设计方面有30多年的经验。他处理核科学和历史，就像他是个量子计算机。问他一个关于核科学或相关化学的问题，就会引发信息“雪崩”。 佩雷斯是一个企业家，他的热情与菲尔无穷无尽的知识相匹配。在我看来，他们一起组成了很棒的一对。如果你在推销反应堆的概念，它们充满激情，而且压倒一切，这是必不可少的品质。 据佩雷斯和菲尔说，以下所列是他们的氯化物熔盐快堆的主要卖点： ● 燃料来自武器和其他反应堆的“核废料” ● 用空气冷却 ● 提供工艺供热 ● 不停堆加注核燃料 ● 反应堆、核燃料，以及其他设施的成本较低 ● 无需建在大水源附近 ● 以合理成本制氢的潜在能源 仅有700万美元的初始资金来自有远见的天使投资者。现在，佩雷斯告诉我，天堂工业公司的下一轮融资将使10 MWt的小型示范工程和许可成为可能，该厂的规模由美国核管会的“条列”决定。 能源部资助、GAIN(核加速创新网关)负责的中子物理学和燃料生产设计工作，已在阿贡国家实验室(ANL)和爱达荷国家实验室(INL)实施。 世界需要核能减少碳排放。对我来说，MCSFR的两大优点是核废料的价格和燃耗。它们是重大优点。 启示 世界各核大国都在开发SMR和熔盐堆。但最强劲的在北美，美国能源部着重开发的三种先进堆(熔盐堆、高温氦气冷堆和钠冷快堆)中，着重和引人关注的也是熔盐堆。连比尔·盖茨支持的泰拉能源公司，也把重点放在熔盐氯化物快堆(MCFR)及其示范堆熔盐氯化物反应堆实验装置(MCRE)上[2]，按照能源部的规划，要在2027年建成调试。但其设计和技术参数，披露得不够详尽，不容置评。Elysium Industries公司的设计资料，自2015年开始，已两次上报IAEA并公开发表[3,4]。 关于熔盐堆的发展史，早有所闻，卢埃林·金所讲的故事，也有不同的版本。但引起后人极大关注是确确实实的，甚至有人走上核能创新之路。我风闻“熔盐堆”是60年在清华工程物理系学生时期，信息来自副系主任吕应中教授，现在的王大中院士，那时还是吕先生的同事，甚至学生。后来，直到文革中吕先生入狱，在狱中给周恩来总理写信，提出中国应当开发熔盐堆，甚至728工程起步，最初也曾有熔盐堆方案，上海应用物理研究所也曾建成零功率装置。但到2010年前后上海应用物理研究所再次研究熔盐堆，并在甘肃武威沙漠地区建造钍基熔盐堆实验装置，则体现了中国核科学技术人士的坚韧追求，需要有国家财政和科研技术界的强力支持……
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  • 《科学家将核废料转化为可持续使用1000年的钻石电池》
    • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2022-04-26
    • 核能被认为是一种清洁能源，因为它的二氧化碳排放量为零;然而，与此同时，随着世界各地越来越多的反应堆的建成，它产生了大量的危险的放射性废物。专家们为这个问题提出了不同的解决方案，以便更好地照顾环境和人们的健康。由于没有足够的安全储存空间来处理核废料，这些想法的焦点是材料的再利用。 放射性钻石电池在2016年首次被开发出来并立即受到好评，因为它们承诺提供一种新的、具有成本效益的核废料回收方式。在这种情况下，不可避免地要斟酌它们是否是这些有毒、致命残留物的最终解决方案。 什么是放射性钻石电池? 放射性钻石电池最初是由布里斯托尔大学卡博特环境研究所的一个物理学家和化学家团队开发的。这项发明是作为一种β辐射电转换设备提出的，这意味着它是由核废料的β衰变提供动力。 β衰变是一种放射性衰变，当一个原子的原子核有过量的粒子并释放一些粒子以获得更稳定的质子和中子的比例时就会发生。这就产生了一种被称为β辐射的电离辐射，其中涉及大量被称为β粒子的高速和高能电子或正电子。β粒子含有核能，可以通过半导体转化为电能。 β衰变是一种放射性衰变，当一个原子的原子核有过量的粒子并释放一些粒子以获得更稳定的质子和中子的比例时就会发生。 一个典型的betvoltaic电池由置于半导体之间的放射性材料薄层组成。当核材料衰变时，它发射出β粒子，将半导体中的电子击散，产生电流。然而，放射源离半导体越远，其功率密度就越低。除此之外，由于β粒子是随机向各个方向发射的，只有少数粒子会击中半导体，而其中只有少数粒子会被转化为电能。这意味着核电池的效率比其他类型的电池低得多。这就是聚晶金刚石(PCD)的作用。 放射性钻石电池是使用一种叫做化学气相沉积的工艺制造的，这种工艺被广泛用于人造钻石的制造。它使用氢气和甲烷的混合等离子体，在非常高的温度下生长金刚石薄膜。研究人员通过使用含有放射性同位素Carbon-14的放射性甲烷，对CVD工艺进行了修改以生长放射性钻石，这种放射性同位素在经过辐照的反应堆石墨块上发现。 钻石是人类所知的最硬的材料之一--它甚至比碳化硅更硬。而且它既可以作为一个放射源，也可以作为一个半导体。把它暴露在β射线下会得到一个不需要充电的长效电池。它内部的核废料一次又一次地为它提供燃料，使它能够长期自我充电。然而，布里斯托尔的科研团队警告说，他们的放射性钻石电池不适合用于笔记本电脑或智能手机，因为它们只含有1克碳-14，这意味着它们提供的功率非常低--只有几微瓦，低于典型的AA电池。因此，到目前为止，它们的应用仅限于那些必须长时间无人看管的小型设备，如传感器和心脏起搏器。 核电池的起源可以追溯到1913年，当时英国物理学家亨利-莫斯利发现，粒子辐射可以产生电流。在20世纪50年代和60年代，航空航天工业对莫斯利的发现非常感兴趣，因为它有可能为长期任务的航天器提供动力。RCA公司也研究了核电池在无线电接收机和助听器中的应用。 但为了发展和维持这项发明，还需要其他技术。在这方面，合成钻石的使用被认为是革命性的，因为它为放射性电池提供了安全性和导电性。随着纳米技术的加入，一家美国公司打造了一个高功率的纳米钻石电池。 NDB公司总部位于加利福尼亚州旧金山，成立于2012年，目标是创造一种更清洁、更环保的传统电池替代品。这家初创公司在2016年推出了其版本的基于钻石的电池，并宣布在2020年进行两项概念验证测试。它是试图将放射性钻石电池商业化的公司之一。NDB的纳米钻石电池被描述为Alpha、Beta和中子辐射电池，根据他们官网的介绍，有如下特点： 持久性。该公司计算出这些电池可以持续28000年，这意味着它们可以为长期任务中的空间飞行器、空间站和卫星提供可靠的动力。地球上的无人机、电动汽车和飞机将永远不需要停下来充电。 安全。钻石不仅是最坚硬的物质之一，也是世界上最有导热性的材料之一，这有助于保护电池中的放射性同位素所产生的热量，使其迅速变成电流。 市场友好性。其中的PCD薄膜层使电池可以允许不同的形状和形式。这就是为什么纳米钻石电池可以有多种用途，进入不同的市场，从上述的空间应用到消费电子。不过，消费版寿命不会超过十年。 纳米钻石电池计划在2023年进入市场。 Arkenlight是将布里斯托尔的放射性钻石电池商业化的英国公司，计划在2023年下半年向市场发布他们的第一个产品。 放射性钻石电池的未来 现代电子设备的便携性，电动汽车的日益普及，以及21世纪将人类带入火星的长期太空任务的竞赛，在过去几年中引发了人们对电池技术研究的日益关注。 一些类型的电池更适合于某些应用，而对另一些应用则不那么有用。但我们可以说，我们熟悉的传统锂离子电池不会很快被放射性钻石电池取代。 传统电池的持续时间较短，但它们的制造成本也更低。然而，与此同时，它们的寿命并不长(它们的寿命约为5年)，这也是一个问题，因为它们也会产生大量的电子垃圾，不容易回收。 放射性钻石电池更方便，因为它们的寿命比传统电池长很多。如果它们能像NDB公司提出的那样被开发成通用电池，那么我们最终可能会得到比智能手机寿命长得多的电池。 然而，Arkenlight公司开发的钻石β辐射电转换技术不会走那么远。该公司正在研究将其大量的碳-14betab电池堆叠成电池的设计。为了提供高功率的放电，每个电池可以伴随着一个小型的超级电容器，这可以提供一个优秀的快速放电能力。 然而，这种放射性材料的寿命也超过了5000年。如果辐射以气态形式从设备中泄漏出来，可能会成为一个问题。这就是钻石出现的原因。在钻石的形成中，C-14是一种固体，所以它不能被生物提取和吸收。 英国原子能管理局(UKAEA)计算，100磅(约45公斤)的碳-14足以拿来制造数百万个基于钻石的长寿命电池。这些电池还可以降低核废料的储存成本。 布里斯托尔大学研究员汤姆-斯科特教授告诉Nuclear Energy Insider说："通过直接从反应堆中去除辐照石墨中的碳-14，这将使剩余的废物产品的放射性降低，因此更容易管理和处置。处置石墨废物的成本估计为：中级废物[ILW]每立方米46,000磅(60,000美元)，低级废物[LLW]每立方米3,000磅(4,000美元)。" 所有这些特点正是我们需要的可持续未来的最佳选择之一，我们可以拭目以待，看看制造商是否能找到处理生产成本和低能量输出的方法，并将他们的钻石基电池以成本效益和可获得的方式推向市场。
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