美國軍用核材料能力建設(shè)進展

軍用核材料主要包括高濃鈾、軍用钚、軍用氚和軍用鋰。冷戰(zhàn)時期，美國為在與蘇聯(lián)的核軍備競賽中取得優(yōu)勢，生產(chǎn)了大量軍用核材料。冷戰(zhàn)結(jié)束前后，由于軍用核材料儲備充足，美國曾暫停所有軍用核材料生產(chǎn)，但仍高度重視相關(guān)能力建設(shè)，維持了完整的軍用核材料回收與加工能力。由于氚的半衰期為12.3年，每年會因衰變損失5%，美國于2003年恢復(fù)了氚的生產(chǎn)?！?018年核態(tài)勢評估》報告指出，美國應(yīng)繼續(xù)采取措施，確保鈾加工、钚彈芯、反應(yīng)堆產(chǎn)氚、鋰化合物等核武器基礎(chǔ)設(shè)施具備必要的技術(shù)能力、生產(chǎn)能力和響應(yīng)能力。

1 高濃鈾

美國有足夠的軍用高濃鈾庫存，已暫停其生產(chǎn)，目前主要進行鈾材料和部件的生產(chǎn)和加工。高濃鈾的儲存、拆卸、處置等工作主要在Y-12國家安全綜合體進行。為保障鈾材料/部件的生產(chǎn)加工能力，美國在大力推進“鈾加工設(shè)施”建設(shè)的同時，積極應(yīng)對Y-12 綜合體9212 大樓中現(xiàn)有鈾加工設(shè)備老化問題。

Y-12“鈾加工設(shè)施”建設(shè)是美國能源部自曼哈頓計劃以來在田納西州最大的投資項目之一，將確保美國濃縮鈾加工和處理能力的長期穩(wěn)定性和安全性。該設(shè)施計劃于2025年前投運，總投資不超過65 億美元。其建設(shè)項目包含7 個子項目：“準備工作”已于2015年2月完成；“現(xiàn)場基礎(chǔ)設(shè)施和相關(guān)保障工作”于2018年2月完工；“變電站”于2019年12月建成；“機械/電氣建設(shè)”、“配套設(shè)施保障”、“救助和問責管理”和“主要工藝流程建設(shè)”正在持續(xù)推進中。由于具備現(xiàn)代化、高效、安全等優(yōu)勢，該設(shè)施建成后將替代9212大樓中的絕大部分現(xiàn)有設(shè)施，確保鈾加工作業(yè)的順利推進。

9212大樓建于1945年，是美國最早開展金屬鈾部件加工的設(shè)施，存在超齡服役、設(shè)備老化等問題。Y-12正在逐步淘汰9212大樓的濕法化學(xué)工藝和金屬轉(zhuǎn)化工藝，計劃2025年前完全關(guān)閉該大樓，屆時將由“鈾加工設(shè)施”接替。為在過渡期內(nèi)保持鈾加工能力，能源部計劃在該大樓安裝電精煉、煅燒、切屑熔化工藝設(shè)備，以替代和優(yōu)化現(xiàn)有工藝設(shè)備。2020年9月，Y-12利用新型電精煉系統(tǒng)生產(chǎn)出首個工業(yè)品位的金屬鈾產(chǎn)品，成功證明該工藝可用于金屬鈾的加工制造，同時Y-12還在測試該系統(tǒng)是否適合擴大規(guī)模生產(chǎn)。新型電精煉系統(tǒng)計劃于2023年完全投入使用。此外，Y-12將采用煅燒工藝對大樓關(guān)閉前的剩余材料進行處理，其碎屑轉(zhuǎn)移工作將由切屑熔化工藝完成。

2 钚彈芯

美國擁有足夠的軍用钚庫存，現(xiàn)已暫停生產(chǎn)，目前主要進行钚彈芯生產(chǎn)、钚材料加工等工作。為彌補钚彈芯生產(chǎn)能力的不足，國防部和能源部2018年5月正式宣布“雙場址”戰(zhàn)略，即在洛斯·阿拉莫斯國家實驗室建設(shè)年產(chǎn)至少30 枚钚彈芯的設(shè)施；在薩凡納河建設(shè)年產(chǎn)至少50 枚钚彈芯的設(shè)施。未來，這兩座設(shè)施每年能夠生產(chǎn)總計80枚钚彈芯。

2021 年4 月，洛斯·阿拉莫斯钚彈芯生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)項目完成項目造價和日程的初步估算，預(yù)估總造價為27 億～39 億美元，將于2027—2028年建成投運。

2018年5月，能源部宣布將對已停止建設(shè)的薩凡納河混合氧化物（MOX）燃料制造設(shè)施進行改造，并在此基礎(chǔ)上建設(shè)钚彈芯生產(chǎn)設(shè)施。MOX燃料制造設(shè)施始建于2007年，原計劃用于處置過剩軍用钚，后因造價嚴重超支而停建。薩凡納河钚彈芯生產(chǎn)項目2021 年6 月完成項目成本的初步估算，預(yù)估總造價為69 億～111 億美元，將于2032—2035年建成投運。

3 軍用氚

軍用氚是美國唯一正在生產(chǎn)的軍用核材料。美國主要從兩方面確保氚供應(yīng)，一是從現(xiàn)有庫存彈頭中回收氚，進行循環(huán)利用；二是利用商用輕水堆產(chǎn)氚。“薩凡納河氚企業(yè)”是美國唯一保障氚供應(yīng)、向國防部提供氚材料的企業(yè)。主要設(shè)施包括：“H 區(qū)舊制造設(shè)施”、“H 區(qū)新制造設(shè)施”“氚提取設(shè)施”和“材料測試設(shè)施”。其中“H區(qū)舊制造設(shè)施”運行時間最長，設(shè)備老化問題最為嚴重，已經(jīng)歷兩次擴建，目前處于替換過程中。《2018 年核態(tài)勢評估》指出，美國需要大幅提升氚的產(chǎn)量、新建“氚精加工裝置”以及對核武器綜合體進行戰(zhàn)略再投資。

美國目前的氚生產(chǎn)流程是：首先，利用瓦茨巴核電廠的商業(yè)核電機組對“產(chǎn)氚可燃吸收劑棒”（TPBAR）進行為期18個月的輻照，使吸收棒中的鋰-6 吸收中子后生成氚；然后，將輻照后的TPBAR運至薩凡納河，使用“氚提取設(shè)施”提氚，并隨后在“H區(qū)新制造設(shè)施”中進行純化處理，獲得符合核武器使用要求的純凈氚。

為全面保障軍用氚的供應(yīng)，能源部從2003年開始利用瓦茨巴核電廠1 號機組產(chǎn)氚。為了提升氚產(chǎn)量，從2020年底啟用瓦茨巴2號機組產(chǎn)氚。薩凡納河“氚提取設(shè)施”每年的提氚次數(shù)持續(xù)增加：2006 年至2016 年為每年1 次，2017 年3次，2021年7次，計劃到2026年每年完成8次。

為替換“H 區(qū)舊制造設(shè)施”，提高生產(chǎn)效率，降低維護成本，能源部提出新建“氚精加工設(shè)施”計劃。2020 年啟動了“氚精加工設(shè)施”的設(shè)計，計劃2023年開工建設(shè)，2031年完工，預(yù)估造價為3.05億～6.4億美元。

2020年初，“薩凡納河氚企業(yè)”啟動戰(zhàn)略再投資計劃，旨在確保“氚提取設(shè)施”和“H區(qū)新制造設(shè)施”的持續(xù)運行，同時保證“H區(qū)舊制造設(shè)施”在“氚精加工設(shè)施”建成并投入使用前能夠繼續(xù)執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)。該計劃還將提高“氚提取設(shè)施”產(chǎn)能。

4 軍用鋰

美國目前暫停生產(chǎn)新的鋰材料，通過回收退役鋰部件和加工鋰庫存來保障軍用鋰供應(yīng)，滿足核武器庫存管理需求。為保障鋰的長期供應(yīng)，美國正在采取兩項措施：一是維持現(xiàn)有鋰設(shè)施繼續(xù)運行，二是新建“鋰加工設(shè)施”，以完成對老舊設(shè)施的替代。

能源部2020年5月對Y-12鋰工廠的鋰清洗和提純工藝進行改進。一方面為了提高效率，另一方面為了有效降低加工過程中有害氣體（氯氣）的排放。能源部計劃2022年在小規(guī)模范圍內(nèi)重建鋰回收的濕法化學(xué)工藝流程，預(yù)估投資為5330萬美元。

美國計劃新建一座“鋰加工設(shè)施”，用以替代建于曼哈頓時期的Y-12 鋰工廠。2020 年初，能源部批準了新建項目的設(shè)計和成本范圍，計劃2025 年進行項目的關(guān)鍵性能參數(shù)和進度審查，2028—2031 年完成鋰加工裝置建設(shè)，預(yù)估投資為9.55億～16.45億美元。

5 小結(jié)

軍用核材料相關(guān)能力建設(shè)，是美國“三位一體”核力量建設(shè)的重要組成部分，旨在支持到本世紀30 年代以及未來的核威懾能力建設(shè)，維持美國作為世界核大國的霸主地位。美國目前擁有充足的高濃鈾、軍用钚和軍用鋰儲備，因此暫停了這三種材料的生產(chǎn)，但保持著這些材料的回收、加工和部件制造能力，并在積極開展能力建設(shè)，實現(xiàn)以新代舊。由于軍用氚的半衰期較短，美國已恢復(fù)氚的生產(chǎn)，并在不斷提高產(chǎn)能。