浓缩铀废物回收和再利用的创新办法

铀浓缩对于核电反应堆燃料的生产至关重要,但也会产生大量的废物流。 这些副产品,主要是贫铀和各种放射性残余物,带来了长期的环境和安全挑战。 最近的创新正在改变这种废物的管理方式,转向减少数量、降低危害和提高核能总体可持续性的循环和再利用战略。 本条探讨了浓缩废物的类型、尖端回收技术、潜在的再利用以及未来核燃料循环废物价值的格局。

了解铀浓缩废物

天然铀中含有约0.7%铀235(U-235)和99.3%的铀238(U-238),浓缩后,轻水反应堆的铀235浓度提高到3-5%。

  1. 贫铀:浓缩后的剩余流,通常含0.2-0.4%的铀-235,只有微量放射性,但化学毒性,全球存在超过120万公吨的庞大量。
  2. 加工废物:液体、固体和含有微量放射性核素的气体、六氟化铀残余物和受污染设备,需要认真处理和处置。

挑战在于如何在尽可能减少环境影响的同时安全管理这些材料。 传统处置在浅海或深海地质储存库中的成本高昂,并面临公众反对。 因此,回收和再利用提供了一条更可持续的前进道路。

创新的再循环技术

材料科学、分离化学和工艺工程的最新进展产生了几种有希望的回收方法,从化学和电化学方法到使用新薄膜进行物理分离。

贫铀的化学再加工

化学后处理涉及将贫铀转化为可用形式. 一种既定途径是氟化物挥发过程,其中六氟化铀经过处理后可回收氟和产生氧化铀. 这些氧化物可在高级离心机中重新浓缩或直接用于重水反应堆[(CANDU型),不需要高浓缩. 另一种技术是使用三丁基磷酸化物的溶剂提取法,将铀与混合废物流中的裂变产物分离,从而能够在混合氧化物(氧化物)燃料制造中再利用. 国际原子能机构(原子能机构)等设施的研究 对这些方法进行了试点规模的验证。

废燃料和浓缩残余物的热处理

热处理是一种高温电化学方法,最初是用来处理乏核燃料的,现在正在为浓缩废物进行改造。在这个过程中,废材料溶解在熔盐电解液(如LiCl-KCl)中,温度为500-700°C。铀和其他活性剂通过电解选择性地沉积在电极上,将裂变产物留在盐中。回收的铀可以回收到新燃料中,或与新铀混合。热处理具有若干优点:它生产一种适合永久处置的紧凑的废物形式,减少长期放射性,并能处理各种各样的原料。Idaho国家实验室一直是这一技术的关键开发者。

膜分离技术

正在开发创新的膜滤波器,以便有选择地将铀同位素与液体废物流分离。例如, 具有特制孔径的无孔膜 可以在允许较小污染物通过的同时拒绝铀离子。更先进的 液液化提取膜[(支持的液化膜)包含三丁基磷酸或氨基胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶胶

回收铀的再利用

浓缩废物产生的回收铀在核燃料循环和非核工业中都有多种用途。

核反应堆燃料

贫铀可以与浓缩铀或钚混合,产生混合氧化物燃料;或者,在气体离心机中重新浓缩贫铀在技术上是可行的,尽管由于铀-235含量低,目前并不经济;但是,在[快中子反应堆[中,贫铀可直接用作肥沃材料,用于繁殖钚-239,这是可裂变的;俄罗斯等国家已经使用贫铀毯子运行快速反应堆(BN-600,BN-800),这种方法关闭了燃料循环,并大大减少了废物量。

辐射防护

由于DU密度高(19.1 g/cm3)和原子数高,它是很好的伽马辐射防护罩,用于医疗辐射治疗室、放射性材料运输桶和集装箱储存设施,回收的DU可以铸造或机械化成屏蔽区块,提供成本效益高的铅替代品,适当的封装可确保放射性排放保持在管制范围内。

军事和工业应用

贫铀因其火爆性和高密度特性而被用于穿甲弹药和军用车辆装甲,这些用途消耗了大量贫铀,否则需要储存,工业用途是,贫铀可以与其他金属合金,为飞机和重型机械生产制衡器,平衡翼翼和尾翼转子的载荷,美国能源部[探讨了这些用途,以管理其贫铀储存。

环境和安全惠益

回收铀浓缩废物比传统处置方式产生大量的环境和安全改善。

新兴技术和未来展望

浓缩废物回收的未来在于与下一代反应堆和高级分离工艺的结合。

高级激光分离

激光同位素分离,如Silex(激光激流分离),正在被改造为废物处理。 通过精确刺激特定的铀同位素或带有调谐激光的污染物,化学家可以选择性地电离和在电场中转移这些同位素。 这种方法不仅可以回收铀,还可以回收废弃的锑、 ⁇ 和 ⁇ 的宝贵同位素。 澳大利亚和美国的试点工厂正在努力使技术商业化,有希望进行低能、高选择性的回收。

废物处理中的机器人和自动化

为了保护工人免受辐射照射,许多新的回收设施都纳入了机器人处理和远程工艺控制,正在Kinectrics[和其他专业工程公司测试自动化取样、化学品添加和废物包装系统,这些系统不仅提高了安全性,而且提高了流程可靠性和增加回收量。

与第四类反应堆的结合

第四代反应堆的设计,如铅-焦化快堆和熔盐反应堆,正在设计消耗贫铀和其他废料,这些反应堆可以在封闭燃料循环中运行,回收自己的燃料,并燃烧长寿命的活性剂,目前的轻水反应堆产生的浓缩废物可能成为这些先进系统的燃料,例如,加拿大公司地铁能源正在开发一种可直接消耗贫化铀六氟化物废物的MSR。

监管和经济考虑

广泛回收需要更新监管框架,将回收材料归类为宝贵的资源而不是废物。 经济激励措施 — — 如避免采矿的碳信用额度 — — 能够使回收更具吸引力。 国际合作,如原子能机构的合作中心方案,正在帮助统一标准并分享最佳做法。

结论

铀浓缩废物回收的创新方法正在将几十年来的责任转化为战略资产。 化学再加工、烟火处理和薄膜技术已经在试点规模上证明了它们的价值。 反应堆燃料、防护和工业应用的再利用提供了经济和环境红利。 展望未来,激光分离、机器人和第四核反应堆有望进一步减少废物量和放射性毒性。 通过接受这些创新,核工业可以朝着真正可持续、封闭的燃料循环迈出重大步伐 — — 一种最大限度地减少环境影响和保证子孙后代能源独立的循环。

对最新发展情况感兴趣的读者们,原子能机构的核燃料循环网页[提供了全面资源,而世界核协会的回收一节提供了全球储存和再利用率的详细数据。