Moderna pyroprocesstekniker lovar att tillhandahålla inhemskt inhemskt kärnbränsle till en överkomlig kostnad för nästa generations reaktorer samtidigt som de drastiskt minskar volymen och toxiciteten hos det återstående avfallet.

Cirka 5 % av uranet i en bränslestav i en lättvattenreaktor används för att producera energi innan stavarna avlägsnas från reaktorn och placeras i permanent lagring, vilket gör att det använda kärnavfallet (SNF) fortsätter att sönderfalla med en relativt hög toxicitetshastighet för hundratusentals år.

Arbetet med att återvinna SNF – knappt en tredjedel av de nära 400 000 ton som produceras globalt har upparbetats – har gett blandade resultat, producerar potentiellt farliga vapenklassade material och till en kostnad som är betydligt högre än att bryta mer uran.

Den nuvarande världsomspännande upparbetningskapaciteten är cirka knappt 2 000 ton per år via anläggningar i Frankrike, Storbritannien, Indien och Ryssland.

Efter den ryska invasionen av Ukraina har det blivit en prioritet att säkra en inhemsk bränsleförsörjning för amerikanska kärnreaktorer och en forskningslinje verkar vara särskilt lovande för nästa generations kärnreaktorer som för närvarande är under utveckling.

Forskare vid U.S. Argonne National Laboratory började arbeta med återvinning av snabbt reaktorbränsle i början av sextiotalet under utvecklingen av Experimental Breeder Reactor-II (EBR-II) och senare under programmet Integral Fast Reactor (IFR).

Argonne har utökat arbetet som började med EBR-II, en snabb neutronreaktor, för att utveckla pyrokemiska processer för återvinning av oxid, karbid och andra avancerade bränslen.

IFR, en flytande metallkyld snabbreaktor, designades senare för att producera energi och förbruka avfall och under arbetet med den antog forskare en pyroprocess där en elektrokemisk reaktion används för att separera de önskade aktiniderna från de oönskade klyvningsprodukterna för återvinning till nytt bränsle .

"Just nu är vårt fokus att flytta pyroprocessing till ett läge som är redo att distribueras", säger Argonnes Pyroprocess Engineering sektionschef Krista Hawthorne.

Pyrobearbetning och elektroraffinering

Pyroprocessing tar de hårda keramiska oxidpellets som hämtats från lättvattenreaktorer – varav cirka 95 % fortfarande är uran och ytterligare 1 % är långlivade radioaktiva grundämnen aktinider medan resten är oanvändbara fissionsprodukter – och omvandlar oxidbeståndsdelarna till metall.

Den metallen sänks sedan ned i ett kärl med smält salt där, genom elektroraffinering, en elektrisk ström selektivt löser upp och återavsätter uran och andra återanvändbara element som sedan används för att tillverka bränsle som kan användas av snabba reaktorer.

De 4 % av bränslet som är oanvändbara klyvningsprodukter måste fortfarande kasseras via permanent lagring, även om dess radioaktiva toxicitet återgår till nivåer av naturligt förekommande uran inom några hundra år, betydligt mindre än de många tusen år som obehandlad SNF tar. att återgå eftersom de flesta av de långlivade isotoperna har återvunnits.

Relativ radiologisk toxicitet för använda bränslebeståndsdelar

Idag är LWR fortfarande standarddesignen för kärnreaktorer i USA, för vilka råuran är ett billigt och lättillgängligt bränsle, men när snabba reaktorer närmar sig demonstrationer och, i slutet av årtiondet, kommersiellt antagande, kan återvunnet bränsle vara normen.

Genom omfattande arbete med ekonomin för bränsleåtervinning pekar Argonnes studie 2018, "Conceptual Design of a Pilot-Scale Pyroprocessing Facility," på lönsamheten av elektroraffinering som en praktisk lösning på använt bränslehantering och återvinning för snabba reaktorer.

I forskningen hade ett system utformat för att återvinna 100 ton bränsle per år en total kapitalkostnad på 398 miljoner USD inklusive processutrustning och stödsystem, beräknad kosta 93 miljoner USD och anläggningskostnaden på 305 miljoner USD.

Att skala upp till 400 ton per år beräknades ha en total kapitalkostnad på 911 miljoner USD och en årlig driftskostnad på 90 miljoner USD.

Sedan studien släpptes har Argonne förbättrat den designen för att ta den till en kommersiellt gångbar nivå med hjälp av den senaste tekniken.

"Vi gör saker som att integrera några av nästa generations sensorer som vi har utvecklat med processkontroll för att förbättra effektiviteten. Vi tittar på att förbättra produktinsamlingsmetoden, sänka kostnaderna för processerna, och vi också med hjälp av tekniker som maskininlärning", säger Hawthorne.

Argonne utvecklar en digital tvilling av elektroraffinören som tar feedback från egenutvecklade övervakningssensorer så att teamet kan identifiera och reagera på förändrade elektroraffineringsförhållanden i realtid.

"Vi arbetar efter dessa linjer för att förbättra effektiviteten och arbeta mot industrialiseringen av pyroprocessning", säger hon.

Oklo ombord

Argonnes arbete, tillsammans med mikroreaktorutvecklaren Oklo, har fångat det amerikanska energidepartementet (DOE).

I augusti fick USA:s energiminister Jennifer Granholm en rundtur i företagets experimentella program i Argonne av Oklos grundare, VD Jacob DeWitte och COO Caroline Cochran, tillsammans med Argonne Lab-direktör Paul Kearns.

Den Kalifornien-baserade utvecklaren har tilldelats 11,5 miljoner USD för tre konkurrensutsatta DOE-priser, kanaliserade genom Technology Commercialization Fund (TFC), ARPA-E OPEN och ARPA-E ONWARDS, för att utveckla avancerad återvinningsteknik i samarbete med Argonne.

Oklo tilldelades också ett bidrag via Gateway for Accelerated Innovation in Nuclear (GAIN) för experimentellt termiskt hydrauliskt arbete med flytande metall vid Argonnes nya Mechanisms Engineering Test Loop (METL)-anläggning.

Företaget, som har ett platsanvändningstillstånd från DOE för att bygga sin första anläggning vid Idaho National Laboratory (INL) och utvecklade den första avancerade tillämpningen av en kombinerad fissionslicens, säger att det är på väg att installera sin första kommersiella avancerade reaktor i USA senast 2025.

Nästa generations snabba reaktorer, som Oklos Aurora, stöds av återvinning av använt bränsle och erbjuder därför en välbehövlig lösning för att stänga kärnbränslecykeln.

"Just nu är avfall ett stort ansvar och det finns enorma utgifter bara för att lagra det, så om någon skulle betala oss för att ta det ur händerna, då förändrar det ekonomin. Även om det är gratis är det fortfarande fördelaktigt och ekonomiskt." säger COO Cochran.

Den nuvarande oron över kostnaden för återvinning är ogrundad, säger Cochran, särskilt när det gäller att driva nästa generations snabba reaktorer som Oklos Aurora, TerraPowers Natrium eller smälta saltreaktorer från Moltex och Elysium.

"Det finns inget riktigt grundläggande skäl till att det ska vara så dyrt. Det är hur man driver och reglerar det. Bränsle är vår största enskilda kostnad. Om vi ​​kan återvinna det, då kan vi verkligen uppnå kostnader som är lägre än något annat på nätet idag, " hon säger. + Utforska vidare

Hur man förutsäger framtida kärnkraftsbehov