最新研究：小型模块化反应堆可能比传统核电站产生更多废物

根据斯坦福大学和不列颠哥伦比亚大学的研究，长期以来被吹捧为核能未来的小型模块化反应堆实际上将产生比传统核电站更多的放射性废物。

工程师准备测试由美国能源部爱达荷国家实验室开发的小型模块化反应堆的先进原型。（图片来源：爱达荷国家实验室提供）

核反应堆以有限的温室气体排放产生可靠的电力供应。但是，产生 1,000 兆瓦电力的核电站也会产生放射性废物，必须将其与环境隔离数十万年。此外，建造大型核电站的成本可能高达数百亿美元。

为了应对这些挑战，核工业正在开发小型模块化反应堆，其发电量低于 300 兆瓦，并且可以在工厂中组装。行业分析师表示，这些先进的模块化设计将比传统的大型反应堆更便宜，产生的放射性副产品也更少。

但美国国家科学院院刊5 月 30 日的一项研究得出了相反的结论。

“我们的研究结果表明，大多数小型模块化反应堆设计实际上会增加需要管理和处置的核废料的数量，”该研究的主要作者、前麦克阿瑟 (MacArthur) 的前任 Lindsay Krall 说。斯坦福大学国际安全与合作中心(CISAC)博士后研究员。“这些发现与倡导者声称的先进核技术的成本和减少废物的好处形成鲜明对比。”

简单的指标

一些分析家认为，与更大的常规核反应堆相比，小型模块化反应堆将显著减少产生的乏核燃料的质量。但根据 Krall 和她的同事的说法，这个结论过于乐观。

“这都是一些简单的指标，例如乏燃料质量的估计，几乎无法深入了解的储存、包装和处置乏燃料和其他放射性废物所需的资源，”现任的瑞典核燃料和废物管理公司公司的科学家的 Krall 说。“事实上，很少有研究分析来自小型模块化反应堆的核废料流的管理和处置。”

已经提出了数十种小型模块化反应堆设计。在这项研究中，Krall 分析了东芝、NuScale 和陆地能源公司正在开发的三种小型模块化反应堆的核废料流。每家公司使用不同的设计。案例研究的结果得到了理论计算和更广泛的设计调查的证实。这种三管齐下的方法使作者能够得出有力的结论。

“分析很困难，因为这些反应堆都还没有运行，”该研究的合著者、斯坦福大学核安全教授、CISAC 联合主任罗德尼·尤因 ( Rodney Ewing ) 说。“此外，一些反应堆的设计是专有的，给研究增加了额外的障碍。”

中子泄漏

当中子分裂反应堆核心中的铀原子时，核反应堆中会产生能量，产生额外的中子继续分裂其他铀原子，从而产生连锁反应。但是一些中子从核心中逸出——一个称为中子泄漏的问题——并撞击周围的结构材料，例如钢和混凝土。这些材料在被核心损失的中子“激活”时会变得具有放射性。

这项新研究发现，由于小型模块化反应堆的尺寸较小，因此它们将比传统反应堆经历更多的中子泄漏。这种增加的泄漏会影响其废物流的数量和组成。

“泄漏的中子越多，中子激活过程产生的放射性就越大，”尤因说。“我们发现小型模块化反应堆将产生至少 9 倍于传统发电厂的中子活化钢。这些放射性物质在处置前必须仔细管理，这将是昂贵的。”

该研究还发现，小型模块化反应堆的乏核燃料每提取单位能量的排放量将更大，并且可能比现有发电厂排放的乏燃料复杂得多。

“一些小型模块化反应堆设计需要化学外来燃料和冷却剂，这些燃料和冷却剂会产生难以处理的废物，”合著者、英国大学公共政策与全球事务学院教授兼主任艾莉森麦克法兰说。“那些奇特的燃料和冷却剂在处置前可能需要昂贵的化学处理。”

“对行业和投资者的启示是，燃料循环的后端可能包括必须解决的隐藏成本，”麦克法兰说。“了解这些反应堆对废物的影响符合反应堆设计者和监管机构的最大利益。”

放射毒性

该研究得出的结论是，总体而言，小型模块化设计在放射性废物产生、管理要求和处置选择方面不如常规反应堆。

一个问题是乏核燃料的长期辐射。研究小组估计，10,000 年后，三个模块化反应堆排放的乏燃料中钚的放射性毒性将至少比每提取单位能量的常规乏燃料中的钚高 50%。

作者说，由于这种高水平的放射性毒性，小型模块化反应堆废物的地质储存库应通过彻底的选址过程仔细选择。