美资助核废物嬗变技术研究

美国能源部（DOE）的阿贡国家实验室和费米国家加速器实验室（Fermilab）获得了来自美国能源部高级能源研究计划署（ARPA-E）的320万美元资助。这笔资金是ARPA-E核能废物嬗变优化计划（NEWTON）的一部分，该计划旨在30年内实现美国商业乏燃料后处理的经济可行性。

嬗变是一种将乏燃料中的长寿命放射性同位素转化为短寿命同位素的过程。ARPA-E NEWTON计划支持的技术（如嬗变）将加速美国乏燃料库存的处理周期，提高安全性并减少永久储存所需的资本支出。

研究发现，粒子加速器是现有技术中解决美国核电站9万吨废物问题最具潜力的方法。超导腔体——线性粒子加速器中堆叠的特殊组件——可以高效地将带电粒子（如质子）加速到接近10亿电子伏特（GeV）的高能量。

阿贡物理学家兼团队负责人Michael Kelly表示，这些质子束可以通过一个称为散裂的过程，从重元素靶（通常由铅或铋制成）产生强中子流。当这些中子被引导至核反应堆内放射性废物区域时，中子会增殖并燃烧乏燃料，将其转化为衰变更快的物质。

然而，目前大多数由纯铌制成的加速器腔体体积庞大，每个成本高达数十万美元。它们需要依赖昂贵的中央低温工厂进行冷却，并使用大量温度为2至4开尔文的液氦。由六到八个腔体组成的低温模块串联在一起时，其尺寸堪比火车货运车厢。

这笔320万美元资金中的约220万美元将用于开发一种缩小超导线性加速器尺寸并降低成本同时提高其可靠性的实用方法。Kelly及其团队将利用一种新兴技术——基于薄膜Nb3Sn（铌三锡）的超导腔体，这些薄膜厚度仅为2-3微米。团队将采用气相扩散工艺生产这些腔体。

新型铌三锡腔体对冷却氦的需求更少，并可用咖啡罐大小的腔体替代热水器大小的传统腔体。加速器低温模块的物理尺寸将缩小三到五倍。Kelly表示：“我们认为这是一件大事。我们还不知道具体能缩小多少尺寸或降低成本，需要更多研究与开发来解决这些问题。”

重要的是，铌三锡技术通过用新一代小型插件式制冷器替代大型液氦制冷器，消除了与低温工厂相关的单点故障风险。通常，如果液氦制冷器出现故障，整个加速器将被迫关闭。研究人员希望通过消除大型制冷器并采用分布式容错的10瓦制冷器来避免这种强制停机。

阿贡物理学家Brahim Mustapha指出，加速器需要极高的可靠性，正常运行时间需达到95%或更高，以避免嬗变过程中断。如果加速器停机，反应堆内产生中子的散裂靶会冷却；而重启时靶会再次加热。频繁启停会导致热机械应力，损坏靶材。

在另一项研究中，Kelly团队利用阿贡串联直线加速器系统（ATLAS）通过低温冷却器开发提高可靠性。团队使用人工智能、机器学习等技术减少加速器故障停机时间。

ARPA-E NEWTON资助项目的最终目标是展示两个高性能铌三锡涂层腔体，优化用于质子以接近光速50%的速度运动——这是实现全高功率加速器的关键一步。团队还计划开发针对铌三锡优化的端到端直线加速器设计和概念布局。

项目面临一些挑战，例如中速腔体的复杂几何形状可能阻碍铌三锡薄膜的均匀沉积，杂质可能污染涂层。阿贡团队专注于铌三锡加速器腔体设计与演示，而费米实验室提供气相扩散工艺支持。

展望未来，工业化技术是关键。项目与RadiaBeam和RadiaSoft合作，分别负责铌锡腔体工业化生产和加速器设计可靠性研究。该项目是2025年ARPA-E NEWTON计划资助的11个项目之一，总金额4000万美元。

另一项获700万美元资助的项目由阿贡核工程师Taek Kim领导，开发新型嬗变系统，通过离心力分离废物副产品。该项目旨在30年内嬗变美国全部次锕系元素库存，将核燃料质量减少28倍，放射性毒性管理时间缩短333倍。Kim表示，这种物理分离技术比传统化学分离更安全。

这些项目将共同构成完整的加速器驱动核废物嬗变系统，通过大幅减少乏燃料的质量、体积、活性和半衰期，将乏燃料处置从代际问题转变为代内问题。