根據(jù)斯坦福大學(xué)和不列顛哥倫比亞大學(xué)的研究，長(zhǎng)期以來(lái)被吹捧為核能未來(lái)的小型模塊化反應(yīng)堆實(shí)際上將產(chǎn)生比傳統(tǒng)核電站更多的放射性廢物。

工程師準(zhǔn)備測(cè)試由美國(guó)能源部愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的小型模塊化反應(yīng)堆的先進(jìn)原型。（圖片來(lái)源：愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提供）

核反應(yīng)堆以有限的溫室氣體排放產(chǎn)生可靠的電力供應(yīng)。但是，產(chǎn)生 1,000 兆瓦電力的核電站也會(huì)產(chǎn)生放射性廢物，必須將其與環(huán)境隔離數(shù)十萬(wàn)年。此外，建造大型核電站的成本可能高達(dá)數(shù)百億美元。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，核工業(yè)正在開(kāi)發(fā)小型模塊化反應(yīng)堆，其發(fā)電量低于 300 兆瓦，并且可以在工廠中組裝。行業(yè)分析師表示，這些先進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì)將比傳統(tǒng)的大型反應(yīng)堆更便宜，產(chǎn)生的放射性副產(chǎn)品也更少。

但美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊5 月 30 日的一項(xiàng)研究得出了相反的結(jié)論。

“我們的研究結(jié)果表明，大多數(shù)小型模塊化反應(yīng)堆設(shè)計(jì)實(shí)際上會(huì)增加需要管理和處置的核廢料的數(shù)量，”該研究的主要作者、前麥克阿瑟 (MacArthur) 的前任 Lindsay Krall 說(shuō)。斯坦福大學(xué)國(guó)際安全與合作中心(CISAC)博士后研究員。“這些發(fā)現(xiàn)與倡導(dǎo)者聲稱(chēng)的先進(jìn)核技術(shù)的成本和減少?gòu)U物的好處形成鮮明對(duì)比。”

簡(jiǎn)單的指標(biāo)

一些分析家認(rèn)為，與更大的常規(guī)核反應(yīng)堆相比，小型模塊化反應(yīng)堆將顯著減少產(chǎn)生的乏核燃料的質(zhì)量。但根據(jù) Krall 和她的同事的說(shuō)法，這個(gè)結(jié)論過(guò)于樂(lè)觀。

“這都是一些簡(jiǎn)單的指標(biāo)，例如乏燃料質(zhì)量的估計(jì)，幾乎無(wú)法深入了解的儲(chǔ)存、包裝和處置乏燃料和其他放射性廢物所需的資源，”現(xiàn)任的瑞典核燃料和廢物管理公司公司的科學(xué)家的 Krall 說(shuō)。“事實(shí)上，很少有研究分析來(lái)自小型模塊化反應(yīng)堆的核廢料流的管理和處置。”

已經(jīng)提出了數(shù)十種小型模塊化反應(yīng)堆設(shè)計(jì)。在這項(xiàng)研究中，Krall 分析了東芝、NuScale 和陸地能源公司正在開(kāi)發(fā)的三種小型模塊化反應(yīng)堆的核廢料流。每家公司使用不同的設(shè)計(jì)。案例研究的結(jié)果得到了理論計(jì)算和更廣泛的設(shè)計(jì)調(diào)查的證實(shí)。這種三管齊下的方法使作者能夠得出有力的結(jié)論。

“分析很困難，因?yàn)檫@些反應(yīng)堆都還沒(méi)有運(yùn)行，”該研究的合著者、斯坦福大學(xué)核安全教授、CISAC 聯(lián)合主任羅德尼·尤因 ( Rodney Ewing ) 說(shuō)。“此外，一些反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)是專(zhuān)有的，給研究增加了額外的障礙。”

中子泄漏

當(dāng)中子分裂反應(yīng)堆核心中的鈾原子時(shí)，核反應(yīng)堆中會(huì)產(chǎn)生能量，產(chǎn)生額外的中子繼續(xù)分裂其他鈾原子，從而產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。但是一些中子從核心中逸出——一個(gè)稱(chēng)為中子泄漏的問(wèn)題——并撞擊周?chē)慕Y(jié)構(gòu)材料，例如鋼和混凝土。這些材料在被核心損失的中子“激活”時(shí)會(huì)變得具有放射性。

這項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，由于小型模塊化反應(yīng)堆的尺寸較小，因此它們將比傳統(tǒng)反應(yīng)堆經(jīng)歷更多的中子泄漏。這種增加的泄漏會(huì)影響其廢物流的數(shù)量和組成。

“泄漏的中子越多，中子激活過(guò)程產(chǎn)生的放射性就越大，”尤因說(shuō)。“我們發(fā)現(xiàn)小型模塊化反應(yīng)堆將產(chǎn)生至少 9 倍于傳統(tǒng)發(fā)電廠的中子活化鋼。這些放射性物質(zhì)在處置前必須仔細(xì)管理，這將是昂貴的。”

該研究還發(fā)現(xiàn)，小型模塊化反應(yīng)堆的乏核燃料每提取單位能量的排放量將更大，并且可能比現(xiàn)有發(fā)電廠排放的乏燃料復(fù)雜得多。

“一些小型模塊化反應(yīng)堆設(shè)計(jì)需要化學(xué)外來(lái)燃料和冷卻劑，這些燃料和冷卻劑會(huì)產(chǎn)生難以處理的廢物，”合著者、英國(guó)大學(xué)公共政策與全球事務(wù)學(xué)院教授兼主任艾莉森麥克法蘭說(shuō)。“那些奇特的燃料和冷卻劑在處置前可能需要昂貴的化學(xué)處理。”

“對(duì)行業(yè)和投資者的啟示是，燃料循環(huán)的后端可能包括必須解決的隱藏成本，”麥克法蘭說(shuō)。“了解這些反應(yīng)堆對(duì)廢物的影響符合反應(yīng)堆設(shè)計(jì)者和監(jiān)管機(jī)構(gòu)的最大利益。”

放射毒性

該研究得出的結(jié)論是，總體而言，小型模塊化設(shè)計(jì)在放射性廢物產(chǎn)生、管理要求和處置選擇方面不如常規(guī)反應(yīng)堆。

一個(gè)問(wèn)題是乏核燃料的長(zhǎng)期輻射。研究小組估計(jì)，10,000 年后，三個(gè)模塊化反應(yīng)堆排放的乏燃料中钚的放射性毒性將至少比每提取單位能量的常規(guī)乏燃料中的钚高 50%。

作者說(shuō)，由于這種高水平的放射性毒性，小型模塊化反應(yīng)堆廢物的地質(zhì)儲(chǔ)存庫(kù)應(yīng)通過(guò)徹底的選址過(guò)程仔細(xì)選擇。