Die Wiederaufbereitung abgebrannter Kernbrennstoffe in den USA könnte ein Comeback erleben – hier ist der Grund

Das Energieministerium (DOE) hat seine Bemühungen zur Erforschung des Recyclings abgebrannter Kernbrennstoffe (SNF) oder gebrauchter Kernbrennstoffe (UNF) aus der Leichtwasserreaktorflotte (LWRs) des Landes intensiviert und 38 Millionen US-Dollar an Bundeszuschüssen an a vergeben Dutzend Projekte am 21. Oktober.

Die Teams erhalten Fördermittel im Rahmen des im März 2022 vom DOE gestarteten Programms „Converting UNF Radioisotopes Into Energy“ (CURIE), um an Projekten zu arbeiten, die das Recycling von SNF vorantreiben. Die Projekte zielen darauf ab, das Volumen hochradioaktiver Abfälle (HLW) zu reduzieren, die dauerhaft entsorgt werden müssen, aber sie werden möglicherweise auch Rohstoffe liefern, die in inländischen modernen Reaktoren verwendet werden könnten, sagte das Energieministerium.

Die Auszeichnungen stellen einen entscheidenden Fortschritt für die neue Strategie des Landes dar, mit SNF aus seiner Flotte von LWRs umzugehen, von denen sich die meisten vorübergehend lagern und auf ihre endgültige Entsorgung warten. Bisher hat die Nuklearindustrie 88.500 Tonnen kommerzielles SNF und HAW sicher in Becken für abgebrannte Brennelemente und Trockenbehälter an 76 in Betrieb befindlichen und stillgelegten Reaktorstandorten in 35 Bundesstaaten gelagert, doch viele Experten glauben, dass dieser Ansatz äußerst ineffizient und nicht nachhaltig ist. Angetrieben durch Unsicherheiten in Bezug auf die Lage und Bedenken hinsichtlich der künftigen Versorgung mit hochentwickeltem Kernreaktorbrennstoff setzt die Bundesförderung neue Impulse für die kommerzielle SNF-Wiederaufbereitung, von der die Behörde hofft, dass sie wirtschaftlich rentabel und proliferationsresistent sein wird.

Die Bemühungen weichen von den seit Langem gehegten Zielen der USA ab, die SNF-Entsorgung durch direkte Endlagerung in einem geologischen Endlager zu bewältigen, das darauf ausgelegt ist, Restgefahren für 100.000 Jahre oder länger einzudämmen. Teilweise aufgrund einer politischen Pattsituation im Kongress und der jahrzehntelangen Nichteinhaltung eines „Standardvertrags“ durch das Energieministerium, um mit der Entsorgung von SNF gemäß dem Nuclear Waste Policy Act (NWPA) von 1982 zu beginnen, ist die geologische Endlagerung in Yucca Mountain, Nevada, gelungen zum Stillstand gekommen. Das Energieministerium hat vor Kurzem damit begonnen, ein auf Zustimmung basierendes Standortverfahren für eine Zwischenlagereinrichtung umzusetzen. Diese Ansätze berücksichtigen jedoch einen Kraftstoffkreislauf mit einmaligem Durchgang.

Das CURIE-Programm der Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) der DOE Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) ist zwar noch nicht Teil einer formellen Strategie für nukleare Abfälle, hat sich aber zum Ziel gesetzt, einen geschlossenen Kernkreislauf zu erforschen, indem eine kommerziell sinnvolle Wiederaufbereitung von SNF aus der aktuellen LWR-Flotte ermöglicht wird.

CURIE geht davon aus, dass die kommerzielle Wiederaufbereitung florieren könnte, wenn wichtige Lücken oder Hindernisse in den Wiederaufbereitungstechnologien, der Prozessüberwachung und dem Anlagendesign beseitigt werden. Das Programm geht davon aus, dass die SNF-Wiederaufbereitung zur Rückgewinnung wiederverwendbarer Aktiniden und deren Recycling zu neuem Brennstoff das Potenzial hat, „die Brennstoffausnutzung zu verbessern – insbesondere in Verbindung mit fortschrittlichen schnellen Reaktoren – und die Menge an HLW, die entsorgt werden muss, drastisch zu reduzieren“.

Die Maßnahme ist bemerkenswert, denn während die USA die Wiederaufbereitung seit Jahrzehnten erforschen – beginnend mit der Rückgewinnung von Plutonium aus bestrahltem metallischem Uranbrennstoff aus den Hanford-Produktionsreaktoren im Rahmen des Manhattan-Projekts aus der Zeit des Zweiten Weltkriegs – stießen kommerzielle Wiederaufbereitungsversuche auf technische, wirtschaftliche und regulatorische Probleme . Und obwohl die USA seit Jahrzehnten über die Option der Wiederaufbereitung als potenziellen Weg nach vorn nachdenken, schwankten die Prioritäten der Atommüllforschung in den letzten Jahren unter verschiedenen Regierungen (siehe Seitenleiste „Wiederaufbereitung der Wiederaufbereitung als Weg für nukleare Abfälle“).

Die US-Regierung entwickelte die Wiederaufbereitungstechnologie ursprünglich im Rahmen der Bemühungen zur Entwicklung der Atombombe im Zweiten Weltkrieg, doch die Wiederaufbereitung abgebrannter Kernbrennstoffe (SNF) entwickelte sich zu einem wesentlichen Weg, um künftige Versorgungsengpässe bei Kernbrennstoffen in der Anfangsphase der kommerziellen Kernenergie zu beheben. von den 1950er bis Ende der 1970er Jahre. Teilweise aufgrund der unsicheren Uranversorgung in den 1970er Jahren entstanden in mehreren Ländern Forschungsprogramme für Brutreaktoren, um die Brutfähigkeiten schneller Neutronenreaktoren zu untersuchen. Die Züchter versprachen, reichlich vorhandenes Uran-238 (U-238) in einen nutzbaren Brennstoff (Plutonium-239) umzuwandeln, mehr nutzbaren Brennstoff zu produzieren, als sie verbrauchten, und 60 % oder mehr des Energiegehalts des Uranbrennstoffs zu nutzen.

Nachdem die Atomic Energy Commission (AEC, der Vorgänger der Nuclear Regulatory Commission [NRC]) 1957 ihre Absicht zum Ausdruck gebracht hatte, sich aus der Bereitstellung nuklearer Wiederaufbereitungsdienste für SNF zurückzuziehen, gewann die Entwicklung der Privatwirtschaft bis 1976 an Fahrt. Während der Entwicklung und des Baus von vier großen kommerziellen Wiederaufbereitungsanlagen Initiiert wurden, wurde in den USA nur eine kommerzielle Wiederaufbereitungsanlage gebaut und betrieben, die West Valley-Anlage von Nuclear Fuel Service in der Nähe von Buffalo, New York. Die Anlage war von 1966 bis 1972 in Betrieb, verarbeitete jedoch nie kommerzielles SNF und wurde schließlich aufgrund strengerer behördlicher Anforderungen geschlossen.

1976 erklärte die Ford-Regierung, dass die USA die Wiederaufbereitung von gebrauchtem Kernbrennstoff zur Herstellung von Plutonium nicht länger als „notwendigen und unvermeidlichen Schritt im Kernbrennstoffkreislauf“ betrachten sollten. 1977 kündigte die Carter-Regierung einen „unbestimmten“ Aufschub der kommerziellen Wiederaufbereitung und des Recyclings von Plutonium an, das in US-Atomkraftprogrammen produziert wurde. Während die Reagan-Regierung 1981 die unbefristeten Verbote der kommerziellen Wiederaufbereitung aufhob, stoppte die Regierung von Präsident George HW Bush 1992 die Wiederaufbereitung von Waffen in einer Grundsatzerklärung zur nuklearen Nichtverbreitung. Im selben Jahr schloss die Regierung die bundesstaatliche Wiederaufbereitungsanlage für Plutonium-Uran-Extraktion (PUREX) endgültig Anlage in Hanford, Washington.

Im Jahr 1993 erklärte die Clinton-Regierung, dass die USA „die zivile Nutzung von Plutonium nicht fördern und sich dementsprechend selbst nicht an der Wiederaufbereitung von Plutonium für Kernkraft- oder Kernsprengzwecke beteiligen“. In ihrer Nationalen Energiepolitik aus dem Jahr 2001 drängte die Regierung von George W. Bush jedoch dazu, (in Zusammenarbeit mit internationalen Partnern mit hochentwickelten Brennstoffkreisläufen) Wiederaufbereitungs- und Brennstoffaufbereitungstechnologien in Betracht zu ziehen, die „sauberer, effizienter, weniger abfallintensiv und mehr“ seien proliferationsresistent.“ Unter der Bush-Regierung begann das Energieministerium (Department of Energy, DOE) auch mit der Arbeit an einer technischen Demonstration des UREX+-Trennverfahrens.

Die Obama-Regierung hielt die Wiederaufbereitung mit der vorhandenen Technologie jedoch für „unwirtschaftlich“, betonte jedoch, dass die Wiederaufbereitung die Abfalllast nicht wesentlich verringert. Es wurde auch darauf hingewiesen, dass die Wiederaufbereitung gebrauchter Kernbrennstoffe zu „großen und wachsenden Beständen an abgetrenntem Plutonium“ als Nebenprodukt geführt habe, was „eines unserer größten Nichtverbreitungsprobleme“ darstelle. Stattdessen setzte sich die Verwaltung für eine regionale oder internationale Zwischenlagerung ein.

Unter der Trump-Administration betonte das DOE erneut die Vorteile der Forschung und Entwicklung (F&E) im Brennstoffkreislauf. Im Jahr 2018 gründete die Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) des DOE das MEITNER-Programm (Modeling-Enhanced Innovations Trailblazing Nuclear Energy Reinvigoration) und förderte „ein Umdenken darüber, wie Teile des Kernreaktorsystems zusammenpassen“. Und im Jahr 2019 startete ARPA-E das Programm „Generating Electricity Managed by Intelligent Nuclear Assets“ (GEMINA) mit dem Ziel, digitale Zwillingstechnologie für fortschrittliche Kernreaktoren zu entwickeln und Betriebs- und Wartungssysteme in der nächsten Generation von Kernkraftwerken zu transformieren.

ARPA-E hat diesen Trommelwirbel auch unter der Biden-Regierung fortgesetzt. Im Rahmen des ARPA-E Reauthorization Act von 2019 wurde die Agentur mit der Bereitstellung „transformativer Lösungen zur Verbesserung der Bewirtschaftung, Reinigung und Entsorgung radioaktiver Abfälle und abgebrannter Kernbrennstoffe“ beauftragt und startete im Mai 2021 das System zur Optimierung nuklearer Abfälle und fortschrittlicher Reaktorentsorgungssysteme (ONWARDS)-Programm. Durch ONWARDS erwartet ARPA-E, „bahnbrechende Technologien zu entwickeln und zu demonstrieren, die eine 10-fache Reduzierung des Abfallvolumens oder des Endlager-Fußabdrucks von [fortgeschrittenen Reaktoren] ermöglichen werden.“

Im März 2022 führte ARPA-E das Programm „Converting UNF Radioisotopes Into Energy“ (CURIE) ein. CURIE – das die Physikerin und Chemikerin Marie Curie ehrt – zielt darauf ab, innovative und proliferationsresistente Trennungen langlebiger Elemente wie Plutonium zu entwickeln, die in neuen Treibstoff umgewandelt und in kurzlebige kommerzielle radioaktive Isotope und kritische Mineralien „umgewandelt“ werden könnten . CURIE unterstützt aber auch Online-Überwachungs- und Materialbuchhaltungstechnologien. „CURIE wird fortschrittliche Reaktoren befeuern und wichtige Elemente sauberer Energie liefern und gleichzeitig den Abfall drastisch reduzieren“, sagte Dr. Jennifer Gerbi, amtierende Direktorin von ARPA-E, im März. „Mit diesem neuen Programm legen wir Wert auf Sicherheitsvorkehrungen und geringere Kosten, da wir Optionen für saubere Energietechnologien für die Zukunft bereitstellen.“

Der von CURIE vorgeschlagene geschlossene Kernbrennstoffkreislauf sieht die Wiederaufbereitung von UNF vor, im Wesentlichen durch die Abtrennung von UNF, um wiederverwendbare Aktinide – darunter Uran und Plutonium – zurückzugewinnen und sie dann zu neuem Brennstoff zu recyceln.

In der Vergangenheit haben kommerzielle Wiederaufbereitungsanlagen – wie La Hague in Frankreich – ein 1950 entwickeltes, auf Lösungsmittelextraktion basierendes Verfahren, das Plutonium-Uran-Reduktions-Extraktionsverfahren (PUREX), zur Rückgewinnung von Uran und Plutoniumprodukten (wie Urantrioxid und Plutoniumdioxid) eingesetzt. „Das Plutoniumdioxidprodukt dient als Ausgangsmaterial, das mit Uranoxid gemischt wird, um Mischoxidbrennstoff (MOX) herzustellen, der von LWRs verwendet wird“, erklärt das Energieministerium. Das PUREX-Verfahren bleibt die Standardmethode der UNF-Trennung und die einzige derzeit im kommerziellen und industriellen Maßstab praktizierte Methode.

Während die USA mehrere frühe Meilensteine ​​in der Wiederaufbereitung markierten, waren andere Länder, darunter Frankreich, das Vereinigte Königreich, Japan, Russland und China, Vorreiter bei den Fortschritten. Einige haben bereits kommerzielle Recyclinganwendungen etabliert.

Insbesondere Russland gab am 9. September bekannt, dass es den 820-MWe-schnellen Rector-Kern BN-800 vollständig mit Uran-Plutonium-MOX-Brennstoff beladen habe. Russlands MOX-Brennstoff besteht aus „in kommerziellen Reaktoren erzeugtem Plutoniumoxid und abgereichertem Uranoxid, das aus der Entfluorierung von abgereichertem Uranhexafluorid (UF6) stammt, den sogenannten Sekundärrückständen von Urananreicherungsanlagen.“ Auch China hat mehrere Meilensteine ​​bei der Wiederaufbereitung angekündigt. Nach Abschluss der Tests in einer PUREX-Pilotanlage im Jahr 2015 hat China Pläne geprüft, mit der Wiederaufbereitung von UNF in einer größeren kommerziellen Anlage zu beginnen. Berichten zufolge baut das Unternehmen gleichzeitig zwei MOX-Anlagen auf.

Im Rahmen seines CURIE-Programms legt ARPA-E einen Weg zur Entwicklung „innovativer“ Trenntechnologien, Prozessüberwachungstechniken für spezielles Kernmaterial sowie Ausrüstungsdesigns fest, die „die Wirtschaftlichkeit und Prozessüberwachung von Wiederaufbereitungstechnologien erheblich verbessern und gleichzeitig die Kosten drastisch reduzieren werden.“ Menge an HLW aus LWR UNF, die entsorgt werden muss.“ CURIE ist ein fokussierteres Programm als ONWARDS, das ebenfalls darauf abzielt, die HLW-Mengen zu minimieren. Es wird mehrere Wiederaufbereitungstechnologien erforschen, darunter wässrige, Pyroverarbeitung und Fluoridflüchtigkeit.

Im Vergleich zu ONWARDS legt CURIE auch bemerkenswerte kostenbezogene Kennzahlen fest. Dazu gehört, die Entsorgungskosten im Bereich von 0,1 ¢/kWh zu halten, aber 1 ¢/kWh Treibstoffkosten für „eine 200 Tonnen Schwermetall [MTHM]/Jahr einmalige (NOAK)“-Anlage bereitzustellen. " Das ist wichtig, wenn man bedenkt, dass die Kostenschätzungen für eine große PUREX-basierte Wiederaufbereitungsanlage derzeit bei 20 Milliarden US-Dollar liegen.

Darüber hinaus zielt CURIE auf spezielle Ansätze zur In-situ-Überwachung von Kernmaterialprozessen ab, mit denen (innerhalb einer Unsicherheit von 1 %) die Materialbuchhaltung nach dem Prozess vorhergesagt werden kann. Es wird auch daran arbeiten, UNF-Trennungen zu ermöglichen, „die keine reinen Plutoniumströme produzieren“.

Diese Kennzahlen werden „eine kommerziell realisierbare Wiederaufbereitungstechnologie unterstützen, die wertvolle Brennstoffe für [fortgeschrittene Reaktoren] bereitstellt und die Möglichkeit bietet, interessante Spaltprodukte (z. B. Edelmetalle und medizinische Radioisotope) zurückzugewinnen und gleichzeitig die Auswirkungen des HLW-Abfalls auf das Land zu minimieren“, sagt die Agentur .

„Angesichts der Fortschritte in den Trenntechnologien, der Materialbuchhaltung und den Online-Überwachungstechnologien sowie dem Gerätedesign bestehen Möglichkeiten, die Wirtschaftlichkeit der Wiederaufbereitungsanlage erheblich zu verbessern, indem der Platzbedarf der Anlage verringert, der Betrieb und die Konstruktion der Einheiten modularisiert, die Abfallströme reduziert, die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften erleichtert und eine rechtzeitige Bereitstellung ermöglicht werden.“ und eine genaue Buchhaltung des Nuklearmaterials für den Einheitsbetrieb“, fügt es hinzu.

Der Schwerpunkt von CURIE auf der Entwicklung fortschrittlicher Reaktorrohstoffe aus wiederaufbereitetem LWR-UNF ist besonders bemerkenswert angesichts der Bedenken, die im aufkeimenden Bereich der Entwickler fortschrittlicher Reaktoren darüber aufkommen, wie sie ausreichende Vorräte an hochanalytischem, niedrig angereichertem Uran (HALEU), einer Form von Uran, beschaffen können. 235 Kraftstoff auf 20 % angereichert. Viele fortschrittliche Kernreaktordesigns, darunter neun der zehn im Rahmen des Advanced Reactor Demonstration Program (ARDP) des DOE ausgezeichneten Designs, erfordern HALEU.

Allerdings ist HALEU derzeit nur aus zwei Quellen erhältlich: begrenzte Mengen vom Energieministerium (DOE) durch Herabmischung vorhandener Materialvorräte und aus kommerziellen Lieferungen über TENEX, ein Kernbrennstoffunternehmen im Besitz des russischen Staatsunternehmens Rosatom.

Während die USA nach Russlands Aggression in der Ukraine vorerst davon Abstand genommen haben, Sanktionen gegen russisches Uran zu verhängen, sind sie sich bewusst, dass die Abhängigkeit von russischem Brennstoff für fortgeschrittene Atomwaffen mehrere inhärente Risiken birgt. Dazu gehören Lieferunterbrechungen und allgemeine Risiken für die Wettbewerbsfähigkeit im Export sowie eine „unbeabsichtigte“ Ausbreitung russischen oder chinesischen Einflusses. Doch abgesehen von dramatischen kurzfristigen Maßnahmen der USA „gibt es für fortgeschrittene Reaktorentwickler im Wesentlichen keine andere Wahl, als sich zunächst auf das von Russland gelieferte HALEU zu verlassen, insbesondere angesichts der verkürzten Zeitrahmen für ihre ersten Demonstrationen und Einheiten“, warnt die Denkfabrik Third Way .

Bis zum Einsatz fortschrittlicher Reaktoren könnten bisher mindestens zwei US-Anlagen zur Anreicherung von HALEU lizenziert werden. Centrus Energy, das vom Energieministerium (DOE) eine Auszeichnung in Höhe von 115 Millionen US-Dollar für den Nachweis der Produktion von HALEU in seinem Werk in Piketon, Ohio, sowie die landesweit einzige Lizenz der Nuclear Regulatory Commission (NRC) für die HALEU-Produktion erhalten hat, teilte POWER im August mit, dass der Bau der Zentrifuge abgeschlossen sei und alle anderen Programmmeilensteine ​​wie gefordert bis Juni 2022 erreicht. Der Betrieb verzögerte sich jedoch aufgrund von Lieferkettenbeschränkungen bei der Beschaffung von HALEU-Lagerzylindern.

Im April 2022 änderte das DOE seinen HALEU-Vertrag, um den Leistungszeitraum bis zum 30. November 2022 zu verlängern. Centrus sagte, es sei auch geplant, im Rahmen der Ausschreibung des DOE vom Juni 2022 ein Angebot für einen 50/50-Kostenbeteiligungsvertrag abzugeben Vervollständigen Sie die Kaskade und produzieren Sie 20 Kilogramm HALEU. „Sobald 20 kg HALEU produziert wurden, wird der Basisvertrag in einen Kosten-plus-Incentive-Gebühr-Vertrag für die Produktion von 900 kg über den darauffolgenden Zeitraum von einem Jahr umgewandelt“, aber das DOE sieht Optionen zur Leistungsverlängerung auf bis zu neun vor Jahre, sagte das Unternehmen. Das Energieministerium „schätzt, dass es ab der Vergabe des Betriebsauftrags etwas weniger als ein Jahr dauern wird, bis die HALEU-Kaskade online geht“, sagte das Unternehmen. Unterdessen erklärte Urenco USA, Inc., eine US-Tochtergesellschaft eines europäischen Unternehmens, im Jahr 2019, dass sie in der Lage sei, HALEU zu produzieren und den Bedarf der Industrie zu decken, und dass ein neues Anreicherungsmodul für solche Zwecke innerhalb von 24 Monaten nach der NRC-Lizenzierung betriebsbereit sein könnte.

Der Kongress erkannte die Dringlichkeit, eine robustere inländische Quelle für HALEU zu entwickeln, und stellte in seinem im August verabschiedeten Inflation Reduction Act (IRA) 700 Millionen US-Dollar bereit, um HALEU für moderne Reaktoren verfügbar zu machen. Die Aufrechterhaltung dieser Finanzierung wirft jedoch neue Bedenken auf. Der vom Energieministerium am 1. September herausgegebene Antrag auf zusätzliche Mittelzuweisung für weitere 1,5 Milliarden US-Dollar für HALEU-Aktivitäten zur Behebung von Defiziten beim Zugang zu russischen Uran- und Brennstoffdienstleistungen stieß im Kongress auf Hürden. Dennoch verfolgt die Agentur weiterhin neue Wege, um ausreichend HALEU zu beschaffen. Am 6. Oktober veröffentlichte die Agentur eine „Quellen gesucht“-Mitteilung, um das Interesse der Industrie und die Machbarkeit „großer und kleiner Unternehmen“ für die Produktion von HALEU abzuschätzen. Die ursprünglichen Antworten werden am 28. Oktober erwartet.

Die Einführung von CURIE durch das Energieministerium und die jüngste Auszeichnung des Programms befürworten die Wiederaufbereitung von LWR-UNF – bei dem es sich in der Regel um mit einer Zirkoniumlegierung umhülltes Uranoxid-UNF handelt – als einen weiteren möglichen Weg, die Probleme des Landes mit Kernbrennstoffen anzugehen. Nach Angaben des Energieministeriums können die umfangreichen Wiederaufbereitungstechnologien von CURIE „alle Rohstoffe bereitstellen, die mit dem Brennstoffbedarf fortschrittlicher Reaktordesigns, die kurz vor der Inbetriebnahme stehen, kompatibel sind“, einschließlich gasgekühlter, geschmolzener Salz- und flüssigmetallgekühlter Reaktoren. „Alle anderen Trennungstechnologien, die den Programmmetriken entsprechen, fallen ebenfalls in den Anwendungsbereich von [CURIE]“, heißt es.

CURIE stellt sich vor, dass Rohstoffprodukte aus einer Wiederaufbereitungsanlage „letztendlich an einen Brennstoffhersteller verkauft“ werden könnten, um fortschrittlichen Reaktorbrennstoff herzustellen. Ebenso bedeutsam ist, dass eine Anlage, die auf die CURIE-Metrik von 200 MTHM/Jahr skaliert ist, „im Zeitrahmen 2030“ ausreichend Uran- und Plutonium- (U/Pu) oder Uran-/Transuran-(U/TRU)-Rohstoffe liefern könnte, um den Bedarf an fortgeschrittenem Reaktorbrennstoff zu decken. " Diese Einschätzung basiert auf der Schätzung des Nuclear Energy Institute aus dem Jahr 2020, wonach die Industrie bis 2032 etwa 220 Tonnen HALEU pro Jahr benötigen wird. „U/TRU- oder U/Pu-Brennstoff würde den Rohstoff liefern, der der gleichen Menge HALEU entspricht, und wiederaufbereitetes Material könnte dies tun.“ als HALEU-Rohstoff dienen“, schlägt das Energieministerium vor.

Die notwendige Technologieentwicklung müsse jedoch erhebliche Hürden überwinden, räumt die Agentur ein. Heute heißt es beispielsweise: „Es gibt keinen nachgewiesenen Weg für einen U/TRU-Brennstoff aus einer Lösungsmittelextraktionstechnologie, und Schutzmaßnahmen sind weitgehend etabliert, aber mit erheblichen Kosten verbunden“, heißt es darin.

Dennoch scheint das DOE optimistisch. „Es gibt viele Möglichkeiten für die Entwicklung alternativer Lösungsmittelextraktionstechnologien, die die Verarbeitungslandschaft verändern würden“, heißt es. Die Entwicklung alternativer wässriger Technologien (Lösungsmittelextraktion) könnte beispielsweise die gemeinsame Rückgewinnung von Aktiniden (Uran bis Americium), die für den fortgeschrittenen Kernbrennstoffkreislauf relevant sind, in einem einzigen Trennschritt ermöglichen, was sowohl die Wirtschaftlichkeit verbessert als auch möglicherweise die Proliferationsresistenz erhöht , es sagt.

Die Pyroverarbeitung, eine nichtwässrige, elektrochemische Batch-Trennung von UNF bei hoher Temperatur in verschiedene Ströme zur Wiederverwendung oder Entsorgung, könnte möglicherweise auch für die Produktion von Brennstoff für die Brennstoffkreisläufe einiger fortschrittlicher Schnellreaktoren aus LWR-UNF attraktiv sein, da die TRU-Elemente, einschließlich Plutonium, sind nicht gut voneinander getrennt und bilden eine weitere Ebene der Proliferationsabwehr. Die Pyroverarbeitung wurde jedoch nur in kleinem Maßstab in einem Forschungs- und Entwicklungsumfeld demonstriert, stellt das DOE fest.

Ein weiterer Hochtemperaturprozess, die Fluoridflüchtigkeit, der die Flüchtigkeit von Fluoriden mit hohem Oxidationszustand (z. B. UF6) nutzt, um eine Trennung zu erreichen, wurde zur Gewinnung von mehr als 100.000 Tonnen Uran aus bestrahltem nichtkommerziellem Brennstoff und zur Wiederaufbereitung des geschmolzenen Materials eingesetzt Brennstoff für Salzreaktor-Experimente in den 1960er Jahren. Während Flussdiagramme entwickelt wurden, die auf Aktinide (Uran, Plutonium und Neptunium) abzielen, die als Brennstoffrohstoff für fortgeschrittene Reaktoren nützlich sein können, konnte die Flüchtigkeit von Fluorid mit UNF direkt aus einem LWR bisher nicht nachgewiesen werden.

Das Energieministerium geht davon aus, dass es auch Interesse von Interessenvertretern (außerhalb der fortgeschrittenen Reaktorgemeinschaft) erwartet, Spaltprodukte wirtschaftlich zurückzugewinnen und für die industrielle oder medizinische Radioisotopenverwendung wiederzuverwenden.

Für einige in der fortgeschrittenen Reaktorgemeinschaft stellen die Bemühungen des DOE, das SNF-Recycling zu erforschen, einen wesentlichen Fortschritt dar, um Chancen zu nutzen, die durch den offenen Brennstoffkreislaufansatz des Landes verpasst wurden.

Oklo, ein Mikroreaktorentwickler, der die Umwandlung von gebrauchtem Oxidbrennstoff in Metall demonstriert und so das Recycling von Abfällen aus der aktuellen Flotte in fortschrittlichen Reaktorbrennstoff ermöglicht, wies auf ein Potenzial für eine bessere Brennstoffeffizienz hin. „Heutige Reaktoren verbrauchen nur etwa 5 % des in ihrem Brennstoff enthaltenen Energieinhalts. Fast 95 % des Energieinhalts bleiben ungenutzt“, sagte das Unternehmen am 21. Oktober gegenüber POWER.

Oklo hat bisher vier DOE-Auszeichnungen mit einer Reihe von Partnern gewonnen, darunter das Idaho National Laboratory (INL), das Argonne National Laboratory (ANL), das Atommüllentsorgungsunternehmen Deep Isolation und die Case Western Reserve University. Als das Energieministerium Oklo im Februar im Rahmen des ONWARDS-Programms einen Preis in Höhe von 5 Millionen US-Dollar verlieh, sagte Jacob DeWitte, Mitbegründer und CEO von Oklo, dass das Unternehmen für fortschrittliche Nukleartechnologie plant, seine Erkenntnisse aus diesen Projekten zu nutzen, um ein erstes Projekt auf den Markt zu bringen -artige Kraftstoffrecyclinganlage.

„Die Brennstoffrecyclinganlage wird Oklo in die Lage versetzen, Atommüll aus vorhandenen gebrauchten Kernbrennstoffen in saubere Energie umzuwandeln und Brennstoffe aus Oklos Anlagen zu recyceln, was eine drastische Kostenreduzierung ermöglicht und einen wichtigen Bedarf in der Lieferkette löst“, sagte er. „Eine Brennstoffrecyclinganlage im kommerziellen Maßstab wird das wirtschaftliche Paradigma für die fortgeschrittene Kernspaltung verändern“, fügte er hinzu.

Das DOE hat am Freitag im Rahmen seiner CURIE-Preise insbesondere zwei von Argonne geleitete Projekte ausgewählt. Im Rahmen eines Projekts, das 4,9 Millionen US-Dollar an Bundesmitteln einbrachte, wird das in Lemont, Illinois, ansässige nationale Labor einen elektrochemischen Oxidreduktionsprozess (OR) entwickeln, der die Kosten- und Abfallkennzahlen des CURIE-Programms für eine kommerzielle Pyroverarbeitungsanlage erfüllt. „Elektrochemische OR ist ein einstufiger Prozess, der gebrauchte Oxidbrennstoffe in Metall umwandelt, aber aktuelle Ineffizienzen führen zu einer ungleichmäßigen und unvollständigen Umwandlung in Metall, langen Prozesszeiten und großen Abfallmengen“, erklärte das Energieministerium.

Argonne wird einen hocheffizienten OR-Prozess mit 97 % Umwandlung des Oxidbrennstoffs in Metall demonstrieren, indem Sensoren zur Überwachung der Oxid-zu-Metall-Umwandlung integriert werden, stabile und effiziente Anodenmaterialien der nächsten Generation verwendet werden und schließlich die Zelldesigns optimiert werden eine räumlich gleichmäßige Umwandlung in Metall erreichen. Im Rahmen des Projekts wird Oklo den Erwerb gebrauchter Brennstoffe für das Recycling vorantreiben und im Rahmen des CURIE-Projekts sein Programm zur Beschaffung gebrauchter Oxidbrennstoff-Rohstoffe entwickeln, sagte der fortgeschrittene Reaktorentwickler gegenüber POWER. „Dieses Programm wird den Erwerb gebrauchter Brennstoffe auf der Grundlage ihrer physikalischen und isotopischen Eigenschaften priorisieren und den Aufbau von Geschäftsbeziehungen mit Unternehmen umfassen, die aktiv nach einer Lösung für ihren Bestand an gebrauchten Brennstoffen suchen“, hieß es.

Parallel dazu wird Argonne im Rahmen des zweiten vom DOE ausgezeichneten Projekts eine Reihe kompakter rotierender Festbettkontaktoren (RPBs) entwickeln, produzieren und testen, die als PAcked Centrifugal Equipment for Radiochemical Separations (PACERs) für die Wiederaufbereitung gebrauchter Kernbrennstoffe bezeichnet werden.

In der Zwischenzeit erhält INL 2,7 Millionen US-Dollar an Bundesmitteln für die Entwicklung, Herstellung und Prüfung robuster Anodenmaterialien für die elektrochemische Reduktion von Aktinid- und Spaltproduktoxiden in SNF. „Die elektrochemische Reduktion von UNF ist ein wichtiger Schritt in den Ablaufplänen der Pyroverarbeitung, der die anschließende Rückgewinnung von Aktiniden durch Elektroraffinierung ermöglicht. Aktuelle Anoden, die typischerweise entweder aus Platin oder Graphit hergestellt werden, weisen hohe Kosten, eine schnelle Zersetzung der Anodenmaterialien und eine Kontamination des Metallprodukts auf und negative Auswirkungen auf den CO2-Fußabdruck“, erklärte das Energieministerium. „Um die Anodenkosten zu senken und die Leistung zu verbessern, wird INL beschichtete und bimetallische Anoden aus Iridium und Ruthenium für den kommerziellen Einsatz herstellen und deren Leistung bewerten. Die Entwicklung robuster Anodenmaterialien unterstützt eine transformative Lösung zur Behandlung von Oxid-UNF, ohne Treibhausgase zu erzeugen oder reines Plutonium zu isolieren.“ "

Der größte CURIE-Preis des DOE im Rahmen der Projektauswahl im Oktober – 6,5 Millionen US-Dollar – geht jedoch an GE Research für die Entwicklung der MAYER-Technologie (Monochromatic Assays Yielding Enhanced Reliability). MAYER sei „eine revolutionäre Sicherheitslösung für wässrige nukleare Wiederaufbereitungsanlagen“, erklärte das Unternehmen. „MAYER verwendet eine bahnbrechende kompakte und abstimmbare Laser-Compton-Streustrahlungsquelle, um einen monochromatischen Strahl mit hohem Photonenfluss bereitzustellen, um eine hohe Genauigkeit (<1 % Unsicherheit), geringe Latenz (<2 Minuten) und In-situ-Messungen der Element- und Isotopenkonzentration zu ermöglichen spaltbare Elemente in einem hohen Strahlungshintergrund.

GE nutzt die Auszeichnung und plant außerdem den Bau eines digitalen Zwillings für die Wiederaufbereitungsanlage zur Sicherung des Managements. Der digitale Zwilling wird die Digital-Ledger-Technologie nutzen, um Datenintegrität und -transparenz sicherzustellen. „Der digitale Zwilling wird ein kontinuierliches, bedarfsgesteuertes Training der künstlichen Intelligenz ermöglichen, um einen aktiven Schutz zu bieten, um Standardfehler im Materialbestand zu reduzieren und unerwünschte Ereignisse vorherzusagen, um eine Schadensbegrenzung vor einer erforderlichen Schließung der Anlage zu ermöglichen“, hieß es.

Curio, ein relativ neues Startup für Atommüll, erhält unterdessen einen Preis in Höhe von 5 Millionen US-Dollar für die Entwicklung und Demonstration seines NuCycle-SNF-Recyclingverfahrens im Labormaßstab. Curio hat im Stillen den neuartigen geschlossenen Brennstoffkreislauf entwickelt, der „absichtlich darauf ausgelegt ist, die Produktion reiner Plutoniumströme zu vermeiden und das Abfallvolumen im Vergleich zu bestehenden Prozessen drastisch zu reduzieren“. Curio erwartet „mehrere“ kommerzielle Produkte aus dem Prozess, „darunter Uran-/Transuran-Brennstoff und wertvolle Radionuklide“, sagte das Unternehmen. NuCycle wurde für die Reduzierung des Anlagen-Fußabdrucks bei erheblicher wirtschaftlicher Effizienz entwickelt und nutzt auf einzigartige Weise gut verstandene chemische Prozesse und kann eine Vielzahl von UNF-Typen (z. B. geschmolzene Salze, Nitridbrennstoffe usw.) aufnehmen. NuCycle verändert das aktuelle Paradigma in Bezug auf „Atommüll“. indem es als Vermögenswert umgestaltet wird und die kommerziellen Argumente für das UNF-Recycling in den USA geschaffen werden“, fügte es hinzu.

Eine weitere bemerkenswerte Auszeichnung – 4,7 Millionen US-Dollar – geht an NuVision Engineering, ein Unternehmen, das eine integrierte Testplattform für die Materialbuchhaltung entwerfen, bauen, in Betrieb nehmen und betreiben wird. Ziel der Plattform ist es, die Vorhersage der Bilanzierung von Kernmaterial nach dem Prozess für eine wässrige Wiederaufbereitungsanlage mit einer Unsicherheit von weniger als 1 % vorherzusagen. Das Ingenieurbüro Mainstream Engineering wird separat eine Vakuum-Swing-Trenntechnologie entwickeln, um flüchtige Radionuklide abzutrennen und einzufangen. Das Projekt könne „die Lebenszykluskapital- und Betriebskosten senken und den zu lagernden Abfall minimieren“, sagte das Energieministerium.

Das DOE vergab außerdem 2,8 Millionen US-Dollar an das Electric Power Research Institute (EPRI) für die Entwicklung eines „integrierten Brennstoffkreislaufunternehmens“, das sich „den damit verbundenen Herausforderungen des Lebenszyklusmanagements von Kernbrennstoffen und der fortschrittlichen Reaktorbrennstoffversorgung“ widmen wird. Die Forschungsorganisation wird Optionen für LWR-Brennstoffquellen charakterisieren und hinsichtlich ihrer wirtschaftlichen Machbarkeit bewerten, ebenso wie Optionen für eine Recyclinganlage, die Brennstoff für fortschrittliche Reaktoren produziert, beispielsweise einen Schnellreaktor mit geschmolzenem Chlorid (MCFR). „EPRI wird diese Informationen verwenden, um ein Optimierungstool für Recyclinganlagen zu entwickeln, um die vielen praktikablen Prozessoptionen auf ihre Kompatibilität und Effizienz zu bewerten. Die Ergebnisse werden in den Entwurf einer Recyclinganlage einfließen, die mit mehreren Brennstoffkreislaufanlagen kombiniert ist, möglicherweise auf einem in Betrieb befindlichen Leichtwasserbetrieb Reaktorstandort", sagte das Energieministerium.

Schließlich wählte das DOE auch Projekte aus, die von mehreren akademischen Teams geleitet wurden. Die University of Alabama, Birmingham, wird ein einstufiges Verfahren entwickeln, das SNF recycelt, indem der Großteil des Urans und anderer Transurane aus UNF nach Auflösung in Salpetersäure zurückgewonnen wird. Die University of Colorado, Boulder, wird unterdessen Technologien weiterentwickeln, die hochpräzise und wesentlich schnellere Messungen komplexer SNF-Mischungen ermöglichen. Die University of North Texas wird einen energieautarken, drahtlosen Sensor für die langfristige Echtzeitüberwachung der Dichte und des Füllstands geschmolzener Salze bei hohen Temperaturen entwickeln, um eine genaue Sicherung und Überwachung der elektrochemischen Verarbeitung von UNF zu ermöglichen. Und die University of Utah wird ein pyrochemisches Verfahren zur effizienten Umwandlung von SNF in einen Brennstoffrohstoff entwickeln, der für natriumgekühlte schnelle Reaktoren oder mit geschmolzenem Salz betriebene Reaktoren geeignet ist.

– Sonal Patel ist leitender Associate Editor bei POWER (@sonalcpatel, @POWERmagazine).

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