美國(guó)公布海軍低濃鈾燃料概念研發(fā)計(jì)劃

(伍浩松 王 政 編譯)

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美國(guó)公布海軍低濃鈾燃料概念研發(fā)計(jì)劃

【本刊2016年9月綜合報(bào)道】 美國(guó)能源部海軍反應(yīng)堆辦公室2016年7月公布了一份名為《海軍低濃鈾燃料概念研發(fā)計(jì)劃》的文件。這份報(bào)告基于海軍反應(yīng)堆辦公室2014年1月公布的報(bào)告《有關(guān)供海軍反應(yīng)堆使用的低濃鈾的報(bào)告》。

這兩份報(bào)告均應(yīng)美國(guó)國(guó)會(huì)的要求編寫(xiě)，并供國(guó)會(huì)審議和討論。2014年報(bào)告對(duì)美國(guó)海軍反應(yīng)堆轉(zhuǎn)用低濃鈾燃料的技術(shù)、環(huán)境、費(fèi)用和不擴(kuò)散影響進(jìn)行了評(píng)估，并得出結(jié)論：轉(zhuǎn)用低濃鈾燃料會(huì)對(duì)反應(yīng)堆的換料周期、反應(yīng)堆尺寸和海軍艦艇的運(yùn)行費(fèi)用造成重大不利影響，但新型先進(jìn)低濃鈾燃料系統(tǒng)可能緩解這些影響，使美國(guó)海軍反應(yīng)堆能夠轉(zhuǎn)用低濃鈾燃料。

2016年報(bào)告對(duì)海軍低濃鈾燃料研發(fā)計(jì)劃的內(nèi)容、重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)、所需經(jīng)費(fèi)以及相關(guān)利弊進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。報(bào)告表示，在海軍低濃鈾燃料投入實(shí)際應(yīng)用之前，需要開(kāi)展兩個(gè)階段的工作，即研發(fā)階段和部署階段。其中研發(fā)工作需要耗資9.9億美元，并歷時(shí)15年。

研發(fā)工作面臨巨大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，可能需要對(duì)美國(guó)在過(guò)去60多年中研發(fā)和使用的海軍燃料技術(shù)做出巨大改變。但如果獲得成功，航母反應(yīng)堆將能夠在21世紀(jì)40年代轉(zhuǎn)用低濃鈾燃料；而對(duì)于全壽期不用換料的潛艇反應(yīng)堆，新型低濃鈾燃料系統(tǒng)不可能滿(mǎn)足相關(guān)要求。除了研發(fā)費(fèi)用，使航母反應(yīng)堆轉(zhuǎn)用低濃鈾燃料還需要支付數(shù)十億美元的相關(guān)工程和制造費(fèi)用。

使用低濃鈾替代高濃鈾的影響

報(bào)告假設(shè)使用鈾-235豐度為19.75%的低濃鈾(這是國(guó)際公認(rèn)的鈾-235豐度最高的低濃鈾)來(lái)替代高濃鈾。由于低濃鈾的能量密度較低，如果使用這種低濃鈾直接替代現(xiàn)役海軍反應(yīng)堆的高濃鈾燃料，會(huì)縮短反應(yīng)堆的換料周期或需要增加反應(yīng)堆的尺寸：對(duì)于一次裝料可運(yùn)行33年的弗吉尼亞級(jí)核潛艇反應(yīng)堆，如果使用低濃鈾燃料，需要換料三次；對(duì)于福特級(jí)航母，需要將換料次數(shù)從目前的一次增加至兩次。

增加換料次數(shù)將會(huì)使海軍編隊(duì)每年增加數(shù)十億美元的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，因?yàn)閾Q料會(huì)增加反應(yīng)堆維修工作量，削減艦艇的服役時(shí)間，增加廢物處置費(fèi)用，提高相關(guān)人員的職業(yè)輻射照射劑量以及大幅增加制造換料堆芯所需的制造和采購(gòu)費(fèi)用。

因此，為了將低濃鈾的這些不利影響降至最低，需要研發(fā)新型低濃鈾燃料系統(tǒng)，以便能夠在同樣的空間內(nèi)裝填更多的燃料。此類(lèi)燃料系統(tǒng)能夠?qū)⑩櫻b載量提升至超出目前的實(shí)際可行水平，同時(shí)滿(mǎn)足海軍反應(yīng)堆嚴(yán)格的性能要求。此類(lèi)燃料系統(tǒng)的詳細(xì)情況屬于保密信息，因此報(bào)告沒(méi)有披露。但是，報(bào)告指出，此類(lèi)燃料系統(tǒng)的研發(fā)和部署面臨巨大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，可能會(huì)需要對(duì)美國(guó)在過(guò)去60多年中研發(fā)和使用的海軍燃料技術(shù)做出巨大改變。雖然不能保證一定能獲得成功，但此類(lèi)燃料系統(tǒng)將允許使用低濃鈾燃料，并能夠?qū)?duì)反應(yīng)堆換料周期和尺寸以及艦船費(fèi)用的不利影響降至最低。在能夠投入實(shí)際應(yīng)用之前，需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)開(kāi)展相關(guān)研發(fā)工作。美國(guó)以前的海軍燃料系統(tǒng)在初次投入實(shí)際應(yīng)用之前，研發(fā)工作(取決于系統(tǒng)的復(fù)雜程度)曾長(zhǎng)達(dá)15年。

報(bào)告將新型燃料系統(tǒng)的研發(fā)和部署分為兩個(gè)獨(dú)立階段，即燃料系統(tǒng)研發(fā)階段和燃料系統(tǒng)部署階段。

研發(fā)階段

在燃料系統(tǒng)研發(fā)階段，將研發(fā)供試驗(yàn)的燃料系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的生產(chǎn)方法，以及獲得開(kāi)展堆芯工程設(shè)計(jì)所需的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。將為下述兩個(gè)目的使用小燃料樣本開(kāi)展研發(fā)工作：

· 建立基本制造工藝；

· 檢測(cè)輻照后燃料的性能和特性。

圖1列出了研發(fā)計(jì)劃的進(jìn)度和三個(gè)重要節(jié)點(diǎn)，表1列出了2018—2032財(cái)年期間的各財(cái)年費(fèi)用。

圖1 美國(guó)海軍低濃鈾燃料系統(tǒng)研發(fā)進(jìn)度表

2018財(cái)年35002019財(cái)年65002020財(cái)年85002021財(cái)年80002022財(cái)年80002023財(cái)年75002024財(cái)年65002025財(cái)年65002026財(cái)年70002027財(cái)年70002028財(cái)年60002029財(cái)年60002030財(cái)年60002031財(cái)年60002032財(cái)年6000總計(jì)99000

如圖1所示，在研發(fā)階段將開(kāi)展五次輻照試驗(yàn)，以便逐步改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)并證明燃料性能能夠滿(mǎn)足相關(guān)要求。第一次試驗(yàn)將使用高濃鈾燃料進(jìn)行。此次試驗(yàn)可使用現(xiàn)有的燃料、設(shè)施以及相關(guān)的配套基礎(chǔ)設(shè)施。

由于超鈾元素在輻照后低濃鈾燃料中的積累量超過(guò)輻照后高濃鈾燃料，導(dǎo)致前者的放射性會(huì)顯著高于后者，因此需要為開(kāi)展低濃鈾輻照試驗(yàn)建設(shè)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施。

在完成相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)之后，將開(kāi)展低濃鈾輻照試驗(yàn)。在高濃鈾試驗(yàn)中獲得的信息通常可用于低濃鈾燃料系統(tǒng)研發(fā)。在開(kāi)展燃料輻照試驗(yàn)的同時(shí)，將進(jìn)行概念設(shè)計(jì)的工程研究，以確保試驗(yàn)樣本能夠代表實(shí)際堆芯設(shè)計(jì)，評(píng)估試驗(yàn)結(jié)果對(duì)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)和性能的影響，在設(shè)計(jì)和制造約束條件之間取得平衡以及評(píng)價(jià)原型反應(yīng)堆堆型的方案。圖1還顯示了用于評(píng)估相關(guān)工作成果的三個(gè)重要節(jié)點(diǎn)。

2021年是第一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)。在這一節(jié)點(diǎn)，將使用高濃鈾燃料評(píng)估燃料系統(tǒng)性能，并判斷是否需要使用低濃鈾開(kāi)展進(jìn)一步的輻照試驗(yàn)。用于支持這一節(jié)點(diǎn)的工作還包括確定開(kāi)展低濃鈾輻照試驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和改造，例如樣本運(yùn)輸容器的設(shè)計(jì)和采購(gòu)以及熱室的整修。

2027年是第二個(gè)重要節(jié)點(diǎn)。在這一節(jié)點(diǎn)，將評(píng)估最終的高濃鈾輻照試驗(yàn)結(jié)果以及初步的低濃鈾輻照試驗(yàn)結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模完成第一次和第二次低濃鈾輻照樣本的試驗(yàn)性制造，包括嘗試制造全規(guī)模燃料元件。這些試驗(yàn)性制造使研究人員了解將在制造全規(guī)模燃料元件的過(guò)程中面臨的主要障礙。

2032年是第三個(gè)重要節(jié)點(diǎn)。在這一節(jié)點(diǎn)，將評(píng)估第一次低濃鈾輻照試驗(yàn)的最終結(jié)果以及從第二次和第三次低濃鈾輻照試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)。還將評(píng)估從試驗(yàn)性制造中獲得的成果，以了解制造足以供航母反應(yīng)堆堆芯使用的燃料系統(tǒng)的可行性以及相關(guān)費(fèi)用。

根據(jù)表1列出的數(shù)據(jù)，完成第一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)時(shí)的支出為 2.65億美元，完成第二個(gè)重要節(jié)點(diǎn)時(shí)的支出為6.9億美元，到2032年完成第三個(gè)重要節(jié)點(diǎn)時(shí)，總支出將達(dá)9.9億美元。表1列出的數(shù)據(jù)包括下述支出：實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的制造、輻照試驗(yàn)以及滿(mǎn)足重要節(jié)點(diǎn)要求需要開(kāi)展的基礎(chǔ)設(shè)施工作。

部署階段

如果研發(fā)工作確定海軍低濃鈾燃料具備技術(shù)可行性，將啟動(dòng)部署階段工作，即在反應(yīng)堆中部署燃料系統(tǒng)。

先進(jìn)低濃鈾燃料系統(tǒng)也許能夠在不增加反應(yīng)堆換料次數(shù)的情況下滿(mǎn)足航母反應(yīng)堆(現(xiàn)役尼米茲級(jí)和福特級(jí)航母反應(yīng)堆在整個(gè)服役期內(nèi)需要換料一次)的相關(guān)要求。初步設(shè)計(jì)工作表明：將低濃鈾燃料用于航母反應(yīng)堆能夠在可供使用的反應(yīng)堆尺寸范圍內(nèi)滿(mǎn)足航母的性能要求，但所需費(fèi)用較高；先進(jìn)低濃鈾燃料系統(tǒng)不可能滿(mǎn)足全壽期不用換料的現(xiàn)役潛艇反應(yīng)堆的要求。如果轉(zhuǎn)用低濃鈾燃料，潛艇反應(yīng)堆在其壽期中至少需要換料一次，或需要相應(yīng)增加反應(yīng)堆的體積以便裝入更多燃料。這兩種方案均會(huì)增加潛艇的全壽期費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用和相關(guān)人員的職業(yè)輻照照射劑量，并會(huì)增加乏燃料的產(chǎn)生量。與航母反應(yīng)堆相比，潛艇反應(yīng)堆在轉(zhuǎn)用低濃鈾燃料時(shí)將面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，下面的內(nèi)容主要關(guān)注供航母反應(yīng)堆使用的低濃鈾燃料。在部署階段，需要在下述五個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展工作。

第一個(gè)領(lǐng)域是制造工藝和基礎(chǔ)設(shè)施。先進(jìn)燃料設(shè)計(jì)涉及多種不同的燃料元件制造方法和設(shè)備。需要研發(fā)新型制造和檢查工藝以及相應(yīng)的制造設(shè)備和設(shè)施。預(yù)計(jì)將分兩個(gè)階段開(kāi)展工廠(chǎng)建設(shè)工作。首先，建設(shè)一條試生產(chǎn)作業(yè)線(xiàn)，以研究將在原型堆中接受輻照的燃料元件生產(chǎn)工藝。這一階段工作將在7年內(nèi)完成，并耗資約3億美元。接著，擴(kuò)大在試生產(chǎn)作業(yè)線(xiàn)基礎(chǔ)上建立的生產(chǎn)線(xiàn)的產(chǎn)能，使其能滿(mǎn)足首次在航母反應(yīng)堆中實(shí)際應(yīng)用的需求。這一階段工作將在8年內(nèi)完成，并耗資約3億美元。在開(kāi)展燃料研發(fā)工作的同時(shí)，將完成生產(chǎn)設(shè)施的規(guī)劃工作。

第二個(gè)領(lǐng)域是原型堆。由于燃料開(kāi)發(fā)工作主要基于小燃料樣本在位于愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(INL)的先進(jìn)試驗(yàn)堆(ATR)中接受輻照獲得的經(jīng)驗(yàn)，因此在將新型燃料放入航母反應(yīng)堆之前，還需要在一座原型堆中對(duì)新型燃料的性能進(jìn)行驗(yàn)證。原型堆試驗(yàn)將使新型燃料在海軍反應(yīng)堆堆芯的實(shí)際運(yùn)行條件下接受輻照，從而驗(yàn)證燃料性能和堆芯壽期。原型堆的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行將耗資數(shù)十億美元。將在2027年即研發(fā)計(jì)劃的第二個(gè)重要節(jié)點(diǎn)之前明確原型堆相關(guān)工作的范圍。

第三個(gè)領(lǐng)域是航母反應(yīng)堆堆芯設(shè)計(jì)和采購(gòu)?；谝郧暗慕?jīng)驗(yàn)，福特級(jí)航母反應(yīng)堆新型低濃鈾燃料堆芯的設(shè)計(jì)和采購(gòu)工作需要耗費(fèi)10年時(shí)間，并耗資15億～24億美元，包括首批2個(gè)堆芯的設(shè)計(jì)、工程和采購(gòu)費(fèi)用。

第四個(gè)領(lǐng)域是乏燃料運(yùn)輸和處置。正如上文提及的，低濃鈾乏燃料的放射性高于高濃鈾乏燃料。因此，需要為低濃鈾乏燃料設(shè)計(jì)和采購(gòu)專(zhuān)門(mén)設(shè)備，包括帶有附加屏蔽的新型運(yùn)輸容器、新型運(yùn)輸容器的裝卸設(shè)備以及相應(yīng)的水池裝卸和處理設(shè)備。相關(guān)費(fèi)用估計(jì)高達(dá)10億美元。

第五個(gè)領(lǐng)域是低濃鈾燃料和堆芯的制造費(fèi)用?；趯?duì)一套2個(gè)福特級(jí)反應(yīng)堆堆芯費(fèi)用產(chǎn)生的影響，估算了新型燃料系統(tǒng)對(duì)堆芯制造和管理費(fèi)用的影響。由于下述因素的影響，堆芯制造和管理費(fèi)用將出現(xiàn)上升：更為復(fù)雜的燃料制造、低濃鈾材料費(fèi)用、需要稀釋高濃鈾以獲得低濃鈾、以及需要支持相互獨(dú)立的高濃鈾燃料(用于為潛艇反應(yīng)堆提供燃料)和低濃鈾燃料(用于為航母反應(yīng)堆提供燃料)生產(chǎn)線(xiàn)的運(yùn)行(這會(huì)導(dǎo)致工作效率的降低)。雖然海軍反應(yīng)堆辦公室會(huì)盡力將相關(guān)影響降至最低，但估計(jì)反應(yīng)堆制造費(fèi)用將上升25%～35%，或者每個(gè)福特級(jí)航母反應(yīng)堆堆芯費(fèi)用增加多達(dá)2.65億美元。

收益與風(fēng)險(xiǎn)

報(bào)告對(duì)海軍低濃鈾燃料研發(fā)工作將帶來(lái)的收益和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。這項(xiàng)工作帶來(lái)的收益包括：

· 這一努力有利于美國(guó)鞏固在核不擴(kuò)散領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)地位。

· 海軍需要擁有反應(yīng)堆燃料技術(shù)專(zhuān)門(mén)知識(shí)的人才，以便能解決在燃料制造和艦隊(duì)支持方面出現(xiàn)的緊急問(wèn)題。而新型海軍低濃鈾燃料研發(fā)計(jì)劃將有助于這一領(lǐng)域人才的培養(yǎng)、成長(zhǎng)和保持。

· 這一努力有助于推進(jìn)燃料系統(tǒng)的發(fā)展，提升海軍燃料的水平，并可能獲得性能更好的海軍反應(yīng)堆燃料系統(tǒng)，從而為海軍轉(zhuǎn)用低濃鈾燃料提供方案。

這項(xiàng)工作面臨的風(fēng)險(xiǎn)包括：

· 低濃鈾燃料系統(tǒng)的研發(fā)和部署工作不能保證獲得成功。海軍反應(yīng)堆使用低濃鈾燃料，嚴(yán)重偏離了美國(guó)過(guò)去60多年中在使用高濃鈾燃料海軍反應(yīng)堆方面獲得的經(jīng)驗(yàn)。因此，如果使用低濃鈾燃料，未來(lái)的設(shè)計(jì)、制造、操作、屏蔽和輻射控制、燃料裝卸和乏燃料處置等工作都將以與以前不同的方式進(jìn)行。這一研究可能導(dǎo)致雖然付出了大量資源，但卻不能獲得令人滿(mǎn)意的海軍低濃鈾燃料。

· 這一研究工作會(huì)與其他海軍研究工作(例如為未來(lái)的潛艇設(shè)計(jì)新型堆芯)搶奪資源，從而使后者面臨風(fēng)險(xiǎn)。

· 美國(guó)海軍潛艇和航母的作戰(zhàn)需求對(duì)反應(yīng)堆堆芯能量密度提出了很高的要求。使用低濃鈾替代高濃鈾，可能會(huì)使反應(yīng)堆的性能降低并變得更為昂貴。因此，如果美國(guó)政府決定海軍轉(zhuǎn)用低濃鈾燃料，則需要適當(dāng)增加海軍和能源部的經(jīng)費(fèi)。

(伍浩松 王 政 編譯)