UPWARDS项目开发先进反应堆废物通用罐系统

当美国能源部先进研究项目署-能源局于2022年启动优化核废物和先进反应堆处置系统计划时，它提出了核工业此前从未认真面对过的挑战：如何设计废物管理解决方案，以预期即将向先进反应堆的转变，而不仅仅是对为旧一代技术构建的现有系统进行改造。该计划的目标雄心勃勃——减少处置占地面积、为不熟悉的废物流提供可扩展的途径、为未来处置奠定技术基础——但同时也紧密扎根于新兴核燃料循环的现实。对于核能界来说，这是一次及时的号召。先进反应堆正在加速向部署迈进，但支持它们所需的废物管理系统却未能跟上步伐。

在此背景下，由Deep Isolation与NAC International；加州大学伯克利分校；以及劳伦斯伯克利国家实验室共同领导的UPWARDS项目应运而生。该项目旨在回答一个看似简单的问题：要开发一个技术上有据可依、可用于处置并能支持先进反应堆多种废物形式及多种地质处置途径的系统需要什么？答案不仅需要一个学科，而是四个——废物形式表征、工程化罐体设计、安全与性能建模，以及废物接受准则开发——每个学科在一个集成的、迭代的过程中相互提供信息。

到2025年7月UPWARDS项目结束时，它已为使用通用罐系统管理先进反应堆废物提供了全面的工程和科学基础，该通用罐系统包含多种罐体配置，可支持多种废物类型、处置库概念和处置深度。该项目并未呈现理论框架，而是提供了基于实验的数据、一个带有物理原型的完整罐体设计、工程分析以及性能模型，这些现在可以构成反应堆和燃料循环开发者、政策制定者以及未来处置库实施者的实用工具箱。

最终的通用罐系统原型在德克萨斯州的深钻孔示范中心进行检验。UPWARDS项目完成了一项为期三年的项目，旨在制造、物理测试并验证一个可用于处置的通用罐系统，该系统能够储存、运输和处置先进反应堆废物。

UPWARDS工作始于一个基本观察：在设计任何罐体、包装或处置系统之前，必须首先了解预期货物的特性。先进反应堆承诺提供模块化部署能源，但也引入了与当今商业乏燃料在物理、化学、热学和放射学方面根本不同的材料。加州大学伯克利分校领导了项目的废物形式表征工作，首先对行业设计、燃料循环概念和科学文献进行全面研究，以确定哪些废物流最有可能成为早期市场进入者。

出现了三种代表性废物形式，它们共同涵盖了先进反应堆和燃料循环部署后可能见到的大部分废物流：镧系硼硅酸盐玻璃、三层结构各向同性乏燃料以及来自熔盐堆的冷冻卤化物盐。总的来说，它们提供了一个平衡的潜在先进反应堆废物横截面——高废物负载玻璃；颗粒基、陶瓷涂层的乏燃料；以及化学活性盐残渣。它们的选择并非抽象。先进研究项目署-能源局要求ONWARDS团队探索可减少处置库占地面积的方法，选择镧系硼硅酸盐玻璃的部分原因是，与传统的玻璃固化废物形式相比，其能够掺入更高浓度的放射性核素，这直接减少了需要处置的废物体积，最终减少了处置库占地面积。

从一开始，加州大学伯克利分校就发现，尽管存在关于这些废物形式的大量信息，但一些与安全相关的特性缺失或仅得到部分表征。文献空白出现在长期降解速率、放射性核素释放机制、温度和pH依赖行为以及废物-岩石相互作用方面。为了填补这些空白，加州大学伯克利分校针对每种废物类型制定了有针对性的实验计划。

使用加速浸出试验评估了镧系硼硅酸盐玻璃样品，以确定它们在水中的溶解温度依赖性。这些试验为处置库性能评估模型提供了实验推导的参数。三层结构各向同性实验侧重于理解碳化硅层的温度和pH依赖性溶解，该层是内部燃料颗粒的主要包容边界；理解其降解对于预测废物形式中放射性核素的释放至关重要。对于熔盐衍生的废物，实验考察了与深地质处置相关的条件下关键裂变产物的溶解度和物种形成。加州大学伯克利分校确保每个实验数据集都侧重于填补先前在处置库安全相关参数方面确定的知识空白，从而为处置库性能评估模型提供了基于实验的输入。

这项工作为后续一切奠定了科学基础。如果没有废物形式行为的现实输入，即使是最复杂的罐体设计或性能模型也将脱离物理现实。

在加州大学伯克利分校研究废物行为的同时，NAC承担了一个并行的挑战：开发一个技术上有能力封装这些不同材料并在储存、运输和处置过程中无缝移动它们的罐体系统。这项工作的结果是通用罐系统——不是一个单一的容器，而是一个工程系统，包含多种罐体配置，所有配置共享通用特征，如焊接密封盖和通用的提升与接合接口。目标是灵活性——不是指为每个用户定制工程，而是提供一套标准化的罐体选项，能够容纳多种废物类型，同时在多种后端配置中保持在分析的安全裕度内。

NAC领导了通用罐系统的设计工作，对一系列边界配置进行了结构、热学、屏蔽和临界分析。这些评估考虑了先进反应堆废物带来的独特挑战，包括非典型几何形状、潜在的更高放射性核素存量以及与传统乏燃料不同的热负荷。通过运用基于数十年核工业经验的工程判断来检查最受限的配置而不仅仅是名义工况，NAC确保了通用罐系统既坚固又适应性强。

该设计采用耐腐蚀不锈钢结构、焊接密封系统以及与地表和地下操作兼容的提升适配器组件，确保了深钻孔置入和取出的可行性，同时为矿山式处置库促进了标准化的置入操作。每个元素的选择不仅支持短期处理，而且支持直至最终地质处置的完整生命周期。

通用罐系统被设计为在废物封装后，作为单一的、密封的废物包装，跨越储存、运输和最终的深地质处置。利用NAC在已获许可的储存和运输系统方面的丰富经验，确保了通用罐系统能够与代表性后端基础设施顺畅对接，并减少了废物管理生命周期中的监管和操作不确定性。

NAC的设计工作最终由R-V Industries制造了通用罐系统原型。结构焊缝的完成、制造公差的验证以及制造工艺的验证将设计从工程图纸转变为物理硬件。最终的通用罐系统原型装载了配重以模拟装载的罐体，允许未来的试验计划进一步证明在德克萨斯州深钻孔示范中心的原型处置库环境中部署该罐体的可行性。