將核廢料轉(zhuǎn)化為能源所需的技術(shù)被稱為核快速反應(yīng)堆，已經(jīng)存在了幾十年。出于政治和經(jīng)濟(jì)原因，該技術(shù)從未在商業(yè)規(guī)模上開發(fā)過。現(xiàn)在，通過能源電網(wǎng)脫碳來(lái)應(yīng)對(duì)氣候變化的緊迫性越來(lái)越大，核能已成為清潔能源的一部分。因此，核快速反應(yīng)堆再次受到認(rèn)真的審視。

核能專家Brett Rampal說：“對(duì)我來(lái)說，感覺快堆技術(shù)比以往任何時(shí)候都更真實(shí)。”2007年，他在佛羅里達(dá)大學(xué)完成了關(guān)于該技術(shù)研究的一個(gè)課題，還清楚地記得他的教授們當(dāng)時(shí)都在爭(zhēng)論這項(xiàng)技術(shù)的未來(lái)。

經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)

據(jù)美國(guó)核監(jiān)管委員會(huì)發(fā)言人Scott Burnell稱，美國(guó)55個(gè)核電站有93座商業(yè)核反應(yīng)堆，其中26個(gè)正處于退役進(jìn)程中。在美國(guó)運(yùn)行的所有核反應(yīng)堆都是輕水堆設(shè)計(jì)。在輕水堆中，鈾-235燃料為裂變反應(yīng)提供動(dòng)力，其中原子核分裂成更小的原子核并釋放能量。能量加熱水，產(chǎn)生蒸汽，用于為發(fā)電機(jī)供電和發(fā)電。

核裂變反應(yīng)會(huì)留下放射性廢物，必須小心處理。美國(guó)約有80,000公噸舊燃料來(lái)自輕水核堆，現(xiàn)有的核電站每年新增約2,000噸乏燃料。但在輕水堆運(yùn)行其由鈾-235供電的反應(yīng)堆后，剩余部分仍有巨大的能源潛力。Gehin在接受采訪時(shí)表示：“從輕水反應(yīng)堆中，我們從地下開采出來(lái)的鈾中，使用了從地下挖出的鈾中一半的能量。”“如果通過快速反應(yīng)堆回收燃料，可以獲得大部分能量。” 快堆不會(huì)減慢裂變反應(yīng)中釋放的中子，更快的中子會(huì)產(chǎn)生更有效的裂變反應(yīng)。Gehin說：“快中子反應(yīng)堆可以更有效地將以乏燃料為主的鈾-238轉(zhuǎn)化為钚，這樣就可以實(shí)現(xiàn)裂變。”

在美國(guó)，快速核反應(yīng)堆的技術(shù)已經(jīng)存在了五十多年。一家名為EBR-II的快速反應(yīng)堆工廠于1958年開始建造，并于1964年至1994年運(yùn)營(yíng)，直到國(guó)會(huì)停止資助。Gehin表示：“我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行了EBR II反應(yīng)堆30年，這是一項(xiàng)非常安全的技術(shù)。該技術(shù)的所有基礎(chǔ)都已得到證實(shí)。”雖然快速反應(yīng)堆將減少核廢料的數(shù)量，但不會(huì)完全消除。仍然有廢物需要處理，但乏燃料數(shù)量可以大大減少。

為什么快堆從未實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用

在上個(gè)世紀(jì)中葉，核能被視為最終耗盡有限化石燃料供應(yīng)的解決方案。與此同時(shí)，有人擔(dān)心沒有足夠的鈾來(lái)為美國(guó)需要的常規(guī)核反應(yīng)堆提供燃料。Gehin表示，開發(fā)快速反應(yīng)堆可以解決這兩個(gè)問題：它們產(chǎn)生大量能源，只使用少量的鈾燃料。但后來(lái)情況變了。“我們開始發(fā)現(xiàn)實(shí)際上有相當(dāng)多的鈾。因此，沒有必要盡可能有效地使用乏燃料“。

Gehin說，然后，整個(gè)核能開始失寵，這主要是因?yàn)?979年賓夕法尼亞州三英里島的核事故。此外，經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)性一個(gè)因素。煤炭，以及后來(lái)的天然氣，仍然豐富而便宜。快速反應(yīng)堆通常被認(rèn)為比傳統(tǒng)的輕水反應(yīng)堆更昂貴，使其成為一個(gè)沒有吸引力的投資領(lǐng)域。

2022年由于俄羅斯在烏克蘭的戰(zhàn)爭(zhēng)，能源價(jià)格飆升，以及越來(lái)越多的公眾要求轉(zhuǎn)向不排放溫室氣體的能源，核能重要性正在再次顯現(xiàn)。Gehin說，與此同時(shí)，科學(xué)家正在考慮重新設(shè)計(jì)快速反應(yīng)堆技術(shù)，使其更具成本效益。

目前，俄羅斯是唯一一個(gè)使用快速反應(yīng)堆技術(shù)發(fā)電的國(guó)家，印度和中國(guó)也有計(jì)劃在未來(lái)建造商用快速反應(yīng)堆。在2019年，美國(guó)能源部宣布正在建造多功能試驗(yàn)反應(yīng)堆，但沒有在2022財(cái)政年度的總括融資法案中得到資助。但初創(chuàng)公司Oklo和TerraPower以及能源巨頭Westinghouse正在研究快速反應(yīng)堆技術(shù)。

私營(yíng)公司正在努力創(chuàng)新和商業(yè)化快速反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，但也面臨重大的基礎(chǔ)設(shè)施障礙。在核廢料可用于快速反應(yīng)堆之前，必須經(jīng)過后處理。目前，只有俄羅斯有能力大規(guī)模做到這一點(diǎn)。Gehin說，法國(guó)也有回收廢舊核廢料的能力，但通常將其回收燃料放回現(xiàn)有的輕水反應(yīng)堆中。

Gehin表示，目前，愛達(dá)荷州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室可以為研發(fā)重新加工足夠的燃料，但不會(huì)更多。將快速反應(yīng)堆技術(shù)商業(yè)化的私營(yíng)公司正在推動(dòng)國(guó)內(nèi)燃料供應(yīng)鏈的發(fā)展。

為快速反應(yīng)堆提供燃料的另一種選擇是從零開始制造HALEU(即高檢測(cè)低濃縮鈾)，而不是通過回收核廢料。在傳統(tǒng)反應(yīng)堆使用鈾濃縮高達(dá)5%時(shí)，HALEU的鈾濃縮高達(dá)20%。Gehin表示，直接生產(chǎn)HALEU比回收廢棄物更容易，但最終，更便宜的選擇將成為贏家。俄羅斯目前是唯一一個(gè)有能力在商業(yè)規(guī)模上制造HALEU的國(guó)家。