美國(guó)推進(jìn)核武器氘化鋰-6熱核部件生產(chǎn)

美國(guó)2018年2月發(fā)布的新版《核態(tài)勢(shì)評(píng)估》報(bào)告提出“應(yīng)確保目前重建美國(guó)鋰化合物生產(chǎn)能力的計(jì)劃能夠充分滿足軍事需求”。為落實(shí)該報(bào)告要求，能源部在2021財(cái)年預(yù)算申請(qǐng)報(bào)告中加大對(duì)“鋰現(xiàn)代化”專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃的經(jīng)費(fèi)投入，并增加新的鋰加工設(shè)施建設(shè)費(fèi)用，大力保障氘化鋰-6熱核部件供應(yīng)。

1 保障氘化鋰-6部件供應(yīng)

鋰-6與氘合成的氘化鋰-6是氫彈必不可少的核心裝料。在氫彈爆炸中，高能中子與裝料中的鋰-6發(fā)生反應(yīng)生成氚，然后氚與氘發(fā)生聚變反應(yīng)，釋放出巨大能量。氚也是增強(qiáng)裂變彈的重要裝料，鋰-6是生產(chǎn)氚的關(guān)鍵原料之一。美國(guó)在核反應(yīng)堆中，利用中子轟擊偏鋁酸鋰合金靶件生成氚。因此，只要核武器存在，鋰-6便是不可缺少的。

美國(guó)1963年停止生產(chǎn)軍用鋰-6，共生產(chǎn)了442.4噸。至今仍保有大量鋰-6，其中大部分處于庫(kù)存儲(chǔ)備狀態(tài)，少量存在于從核武器上拆卸下來(lái)的退役氘化鋰-6部件(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“退役部件”)中。庫(kù)存鋰-6材料主要為氯化鋰-6，少量為鋰金屬，只有轉(zhuǎn)化成氘化鋰-6后才可用于制造部件；退役部件含有許多雜質(zhì)，必須先經(jīng)過(guò)純化，去除雜質(zhì)后才可再利用。

為制造新的氘化鋰-6部件，美國(guó)2013年之前采用庫(kù)存材料和回收退役部件，2013年改為僅回收利用退役部件，2019年又恢復(fù)利用庫(kù)存材料。美國(guó)先后采取并正在研發(fā)多種工藝，對(duì)庫(kù)存材料/退役部件進(jìn)行加工。

第一種是針對(duì)退役部件的鋰化學(xué)純化和轉(zhuǎn)化工藝，分為5個(gè)步驟：一是將退役鋰部件在鹽酸中溶解；二是經(jīng)過(guò)蒸發(fā)結(jié)晶、電解還原等處理獲得鋰金屬；三是通過(guò)氘化反應(yīng)將鋰金屬轉(zhuǎn)化成氘化鋰；四是粉碎研磨；五是加工成型，制成核武器部件。

第二種是針對(duì)庫(kù)存的鋰轉(zhuǎn)化工藝，分為4個(gè)步驟：一是對(duì)氯化鋰進(jìn)行電解還原處理，生成鋰金屬；二是經(jīng)過(guò)氘化反應(yīng)，將鋰金屬轉(zhuǎn)化成氘化鋰；三是粉碎研磨；四是加工成型，制成核武器部件。

由于空氣處理系統(tǒng)中使用的干燥劑產(chǎn)生腐蝕性液體和氣體，上述兩種工藝2013年停用。

第三種是針對(duì)退役部件的直接材料制造工藝，即退役部件經(jīng)打磨擦拭，去除表面雜質(zhì)，然后粉碎研磨，再加工成型，制成核武器部件。該工藝于2012年啟用，回收利用率低，打磨擦拭過(guò)程中產(chǎn)生的高達(dá)50%的鋰化合物粉末無(wú)法再利用。雖然該工藝能夠滿足當(dāng)前的生產(chǎn)要求，但美國(guó)認(rèn)為無(wú)法滿足未來(lái)預(yù)期需求，為此開(kāi)始重新啟用鋰轉(zhuǎn)化工藝，計(jì)劃2020財(cái)年全面恢復(fù)。

第四種是美國(guó)正在研發(fā)的新型鋰純化工藝，目標(biāo)是提高安全性和純化效率。

2 開(kāi)展鋰工藝技術(shù)改造

2019財(cái)年，美國(guó)設(shè)立“鋰保障”專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃，撥款2914萬(wàn)美元，2020財(cái)年撥款2880萬(wàn)美元，2021財(cái)年改名為“鋰現(xiàn)代化”計(jì)劃，申請(qǐng)3940萬(wàn)美元，同比增長(zhǎng)36.8%。經(jīng)費(fèi)增長(zhǎng)的主要原因是需要加工更多的鋰材料，以支持B61-12核彈研發(fā)計(jì)劃以及電解池的全面投運(yùn)。“鋰現(xiàn)代化”計(jì)劃為了保障武器所需的鋰材料和部件供應(yīng)，實(shí)施工藝改造和技術(shù)開(kāi)發(fā)，主要活動(dòng)包括：

(1) 回收和保障氘化鋰材料。如前所述，美國(guó)目前利用兩種工藝生產(chǎn)氘化鋰材料，主要利用直接材料制造工藝。該工藝對(duì)退役部件的質(zhì)量要求較高，約有15%的退役部件不適用。為保障該工藝所需的退役部件數(shù)量，美國(guó)將對(duì)更多部件進(jìn)行認(rèn)證。

(2) 重建將氯化鋰轉(zhuǎn)化為氘化鋰的轉(zhuǎn)化能力。美國(guó)現(xiàn)有大量氯化鋰和鋰金屬庫(kù)存。為了將其轉(zhuǎn)化為可用于武器部件的氘化鋰，該計(jì)劃撥款支持電解池和氫化反應(yīng)器的運(yùn)行和維護(hù)，在2020財(cái)年全面恢復(fù)鋰轉(zhuǎn)化工作。

(3) 撥款支持輔助設(shè)施建設(shè)，保障生產(chǎn)能力。“鋰現(xiàn)代化”計(jì)劃支持對(duì)現(xiàn)有設(shè)施的維修、升級(jí)改造和關(guān)鍵設(shè)備更新，維持9204-2號(hào)樓的鋰相關(guān)工作，直到新的鋰加工設(shè)施建成。

(4) 研發(fā)和部署鋰純化和生產(chǎn)技術(shù)，支持新的鋰加工設(shè)施。美國(guó)正在研發(fā)更加安全有效的鋰純化和生產(chǎn)工藝，包括四種新的鋰純化工藝、氘氣捕獲和回收工藝、鋰粉末回收工藝、新的自動(dòng)鋰電解池等，以滿足近期以及新的鋰加工設(shè)施對(duì)新工藝的需求。

2020財(cái)年，美國(guó)能源部按計(jì)劃交付了鋰材料，并更新和驗(yàn)證了鋰供需模型；完成了9204-2號(hào)樓的安全和維修工作；重新啟動(dòng)鋰材料轉(zhuǎn)化工藝設(shè)備，例如電解池和氫化反應(yīng)器；完成鋰純化和生產(chǎn)技術(shù)的技術(shù)準(zhǔn)備評(píng)估報(bào)告；完成鋰均質(zhì)化技術(shù)準(zhǔn)備評(píng)估報(bào)告，達(dá)到技術(shù)成熟度5級(jí)(技術(shù)成熟度達(dá)到7級(jí)，具備工業(yè)應(yīng)用條件)；完成鋰熱分解和蒸餾技術(shù)準(zhǔn)備評(píng)估報(bào)告，達(dá)到技術(shù)成熟度5級(jí)。2021財(cái)年，美國(guó)能源部計(jì)劃繼續(xù)維持鋰材料供應(yīng)，維護(hù)鋰供需模型；完善并使用新的鋰加工工藝，以替代目前的技術(shù)；繼續(xù)研發(fā)鋰轉(zhuǎn)化和純化技術(shù)，重建這兩種能力；維護(hù)和調(diào)整目前的運(yùn)行設(shè)備，降低單點(diǎn)故障的風(fēng)險(xiǎn)。

3 新的鋰加工設(shè)施

美國(guó)目前使用Y-12場(chǎng)址9204-2號(hào)樓加工鋰部件。該設(shè)施始建于1943年，最初用于鈾部件生產(chǎn)，1954年轉(zhuǎn)用于鋰加工，上世紀(jì)80年代末至90年代初對(duì)大部分設(shè)備進(jìn)行替換或升級(jí)。隨著時(shí)間推移，建筑結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)備不斷老化，特別是用于回收鋰-6的工藝產(chǎn)生大量腐蝕性液體和氣體，導(dǎo)致房屋建筑腐蝕嚴(yán)重。此外，該設(shè)施過(guò)于龐大，大幅超過(guò)使用壽命，運(yùn)營(yíng)成本高昂，存在許多運(yùn)營(yíng)問(wèn)題，無(wú)法滿足當(dāng)前的任務(wù)要求。

為實(shí)現(xiàn)未來(lái)氘化鋰-6的長(zhǎng)期可靠供應(yīng)，替代現(xiàn)有9204-2號(hào)樓老舊設(shè)施，2015年美國(guó)批準(zhǔn)新建鋰加工設(shè)施的任務(wù)需求。新設(shè)施擬建在Y-12場(chǎng)址東側(cè)正在拆除的生物綜合設(shè)施，建筑面積約1.2萬(wàn)平方米，包括鋰加工區(qū)、運(yùn)輸和接收區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)以及技術(shù)和管理支持區(qū)。在新設(shè)施開(kāi)工之前，需要拆除舊的建筑物，修復(fù)受污染的環(huán)境。屆時(shí)，新設(shè)施將按照現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鋰純化和加工工作，擁有更加靈活的響應(yīng)能力。

2019年美國(guó)完成該設(shè)施的概念設(shè)計(jì)，原計(jì)劃2022財(cái)年開(kāi)工建造，2027財(cái)年完成建設(shè)，2030財(cái)年開(kāi)始運(yùn)行。由于對(duì)該設(shè)施的需求有變，目前計(jì)劃2024財(cái)年開(kāi)工建造，2031財(cái)年完成建設(shè)，投運(yùn)時(shí)間未知。此外，建設(shè)費(fèi)用也進(jìn)一步增加，從2019財(cái)年估計(jì)的7.2億美元，增加到2020財(cái)年估計(jì)的9.55億～16.45億美元，主要原因是該設(shè)施建筑面積從9290平方米增加到1.2萬(wàn)平方米，以及工藝設(shè)備要求細(xì)化和項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)的進(jìn)一步明確。

4 結(jié)語(yǔ)

自2018年開(kāi)始，美國(guó)采取一系列措施，設(shè)立“鋰現(xiàn)代化”專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃、研發(fā)新的鋰加工工藝、加快新的鋰加工設(shè)施建設(shè)，大力推進(jìn)核武器氘化鋰-6熱核部件生產(chǎn)。這是特朗普政府推進(jìn)核力量建設(shè)的一項(xiàng)重要舉措。為確保我國(guó)核力量的長(zhǎng)期有效性，也應(yīng)確保鋰材料的長(zhǎng)期可靠供應(yīng)；加快發(fā)展先進(jìn)的工藝技術(shù)，積極更新改造加工設(shè)施；保持先進(jìn)、足夠的鋰生產(chǎn)加工能力。