美國公布海軍核動力堆燃料低濃化初步研究成果

2020年2月，美國能源部國防核不擴散辦公室發布報告《針對先進低濃鈾燃料開發的燃料-反應堆概念的初步評價》，介紹了有助于美國實現海軍核動力堆燃料低濃化的反應堆和燃料技術。這份報告由能源部下屬三家國家實驗室合作編寫，即愛達荷國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室和阿貢國家實驗室，推薦了兩種反應堆堆型和七種燃料，可供開展進一步研究。

根據國際裂變材料專家組公布的信息，美國和英國海軍核動力堆目前使用鈾-235豐度為93.5%的武器級高濃鈾燃料，俄羅斯和印度使用豐度超過20%的高濃鈾燃料，法國使用低濃鈾燃料。

目的

美國推動海軍動力堆燃料低濃化的目的有兩個。第一，加強防擴散，降低高濃鈾使用帶來的擴散風險。美國一直領導著一項全球努力，即減少并最終結束將高濃鈾用作研究堆燃料或者用于醫用放射性同位素生產。海軍動力堆實現燃料低濃化，將把這項努力擴大到終止高濃鈾除武器之外的所有其他應用。第二，使其他國家不能以發展海軍動力堆為借口謀求獲得或生產高濃鈾。

動力堆燃料低濃化影響

如果使用鈾-235豐度為19.75%的低濃鈾(這是國際公認的鈾-235豐度最高的低濃鈾)來替代高濃鈾，由于能量密度低，將需要增加動力堆尺寸，或者縮短動力堆換料周期：對于一次裝料可運行33年的弗吉尼亞級核潛艇反應堆，如果使用低濃鈾燃料，需要換料三次；對于福特級航母，需要將全壽期換料次數從目前的一次增加至兩次。由于換料會增加反應堆維修工作量，削減艦艇的服役時間，增加廢物處置費用，提高相關人員的職業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費用，因此增加換料次數將會使海軍編隊每年增加數十億美元的運營費用。

研究歷史

能源部海軍反應堆辦公室曾應國會要求提交兩份報告，即2014年《有關供海軍反應堆使用的低濃鈾報告》和2016年《海軍低濃鈾燃料概念研發計劃》。2014年報告對美國海軍反應堆轉用低濃鈾燃料的技術、環境、費用和不擴散影響進行了評估，并得出結論：轉用低濃鈾燃料會對反應堆尺寸、換料周期以及海軍艦艇的運行費用造成重大不利影響，但新型先進低濃鈾燃料系統可能緩解這些影響，使海軍反應堆能夠轉用低濃鈾燃料。2016年報告介紹了一份需要投資10億美元、歷時15年的海軍低濃鈾燃料研發計劃(詳見本刊2016年第9期相關報道)。

雖然國會2016財年和2017財年曾為能源部海軍核反應堆辦公室撥款，要求啟動低濃鈾研究計劃，但這一計劃沒有得到實施，因為時任能源部部長和海軍部部長均不支持該計劃，認為燃料低濃化研究計劃將與其他項目競爭資金，使其他項目面臨風險。因此，國會從2018財年開始為能源部國防核不擴散辦公室提供資金，開展海軍低濃鈾燃料研究。核不擴散辦公室則委托愛達荷、橡樹嶺和阿貢三家實驗室開展相關研究。2018—2020財年，該研究計劃總計獲得3000萬美元資金。

建議

國防核不擴散辦公室在最新發布的報告中指出，在開展反應堆研究時，研究團隊選擇的主要技術參數是，反應堆熱功率為350兆瓦，電功率為100兆瓦，單一堆芯壽期為30年，燃料豐度為19.75%，能夠在0至100%功率水平快速改變運行功率，30年壽期內的平均負荷因子為20%。燃料可以采用棒狀、板狀或顆粒床配置，可以是金屬或陶瓷材料。研究團隊對9種堆型即壓水堆、沸水堆、氣冷熱堆、重水堆、熔鹽堆、氣冷快堆、超臨界水冷堆、鈉冷快堆和鉛冷快堆進行了評價，并得出結論：建議選擇壓水堆和鈉冷快堆開展進一步研究，因為這兩種堆型的技術成熟度較高，其他堆型還需要應對大量技術挑戰。例如氣冷堆需要在緊湊的發電系統中實現高流量和高壓降；熔鹽堆和超臨界水冷在減少設備腐蝕以及實現快速啟動方面面臨挑戰。

研究團隊還提議了七種可供開展進一步研究的燃料，并將這些燃料分為兩類。第一類有四種，即二氧化鈾、含鉬7%至10%的鈾鉬合金、帶有膨脹抑制劑的硅化三鈾以及含鉬1%且含硅2%的鈾金屬。二氧化鈾為基準燃料，另外三種的鈾密度比二氧化鈾高50%，可以在同樣的空間中裝入更多鈾，從而減少因豐度降低帶來的反應堆體積損失。因此這些候選燃料相對于其他燃料有更大的優勢。第二類有三種，即含鋯10%的鈾鋯合金、碳化鈾和氮化鈾(詳見表1)。

表1 建議開展進一步研究的七種燃料

1 本項研究的基準系統是，以水或液體鈉為冷卻劑，采用棒形或板形UO2燃料。

2 x=7、9或10，即鉬質量百分含量分別為7%、9%或10%的鈾鉬合金。

小結

出于防擴散目的，美國國會近年來一直推進海軍核動力堆燃料低濃化研究。但由于能源部和海軍部的反對，這一研究由能源部國防核不擴散辦公室而不是海軍反應堆辦公室牽頭負責。在對9種堆型完成初步研究后，核不擴散辦公室建議未來重點開展壓水堆和鈉冷快堆研究，并為這兩種堆型推薦了七種燃料。