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，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)滿足海軍反應(yīng)堆嚴(yán)格的性能要求。此類燃料系統(tǒng)的詳細(xì)情況屬于保密信息，因此報(bào)告沒有披露。但是，報(bào)告指出，此類燃料系統(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)間來開展相關(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，將開展低濃鈾輻照試驗(yàn)。在高濃鈾試驗(yàn)中獲得的信息通?？捎糜诘蜐忖櫲剂舷到y(tǒng)研發(fā)。在開展燃料輻照試驗(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)以及滿足重要節(jié)點(diǎn)要求需要開展的基礎(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)階段開展工廠建設(shè)工作。首先，建設(shè)一條試生產(chǎn)作業(yè)線，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)線基礎(chǔ)上建立的生產(chǎn)線的產(chǎn)能，使其能滿足首次在航母反應(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。由于燃料開發(fā)工作主要基于小燃料樣本在位于愛達(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)專門設(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)工作將帶來的收益和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。這項(xiàng)工作帶來的收益包括：

· 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)專門知識(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)