美啟動高豐度低濃鈾保障計劃的制訂

美國能源部2021年12月14日發(fā)布信息征集書，邀請相關各方為制訂高豐度低濃鈾保障計劃提供意見和建議。這意味著能源部已根據2020年《能源法》的要求，為滿足民用先進反應堆研發(fā)需求啟動高豐度低濃鈾保障計劃的制訂工作。

1 高豐度低濃鈾

高豐度低濃鈾是指鈾-235豐度為5%～20%的鈾?，F(xiàn)有商業(yè)核電機組通常使用豐度低于5%的低濃鈾燃料。相對于傳統(tǒng)低濃鈾，高豐度低濃鈾有助于減小燃料組件尺寸，縮小反應堆體積，延長反應堆換料周期，并實現(xiàn)更高燃耗。

美將推動先進反應堆商業(yè)化部署視為創(chuàng)造就業(yè)、保障能源供應安全和實現(xiàn)碳減排目標的重要手段。高豐度低濃鈾相對于傳統(tǒng)低濃鈾具有獨特優(yōu)勢，是許多先進反應堆的不二選擇。在能源部“先進反應堆示范計劃”下獲得資助的10種先進反應堆設計中，至少5種需要使用高豐度低濃鈾燃料。能源部預計，為了實現(xiàn)先進反應堆的商業(yè)化，美在2030 年前將需要至少40 噸高豐度低濃鈾。為了實現(xiàn)2050 年凈零排放目標，美在2030年之后還需要每年提供一定數(shù)量的高豐度低濃鈾，以滿足先進反應堆的運行需求。

2 美國高豐度低濃鈾供應情況

高豐度低濃鈾可通過兩種途徑獲得：一是稀釋高濃鈾，二是對低濃鈾或天然鈾進行濃縮。

能源部國家核軍工管理局目前擁有高濃鈾庫存。這些高濃鈾主要用于滿足海軍反應堆以及庫存核武器管理工作的需求。少量高濃鈾用于滿足下述三方面需求：一是位于多個國家的研究堆和醫(yī)用放射性同位素生產設施的需求；二是關鍵國防需求，例如為用于產氚的商業(yè)反應堆提供燃料；三是空間探索需求。因此，可供用于稀釋成高豐度低濃鈾的高濃鈾數(shù)量十分有限，不足以滿足近期先進反應堆研發(fā)和示范需求。

美本土的離心鈾濃縮技術尚未實現(xiàn)商業(yè)化應用。唯一的商業(yè)鈾濃縮廠位于墨西哥州尤尼斯，由歐洲鈾濃縮公司擁有和運營，目前僅獲準生產傳統(tǒng)低濃鈾燃料。因此，美國內目前沒有高豐度低濃鈾的商業(yè)供應源。

3 能源部的供應方案

為支持先進反應堆的研發(fā)和示范，能源部準備實施三種高豐度低濃鈾供應方案，其中兩種是近期供應方案，一種是長期供應方案。

3.1 近期供應方案

能源部及其國家實驗室正在開展兩種化學工藝研究，即電化學工藝和ZIRCEX 工藝，目的是從庫存的高濃鈾乏燃料中提取高濃鈾（鈾-235 豐度超過20%），然后稀釋成高豐度低濃鈾，以滿足近期需求。

電化學工藝主要用于金屬乏燃料的處理，共分為三個步驟：一是對乏燃料進行相關處理，然后在高溫熔鹽電解精煉槽中分離鈾與裂變產物；二是使用真空精餾法對回收的高濃鈾進行清潔，去除附著的熔鹽；三是將回收的高濃鈾與低濃鈾混合，以獲得高豐度低濃鈾。愛達荷國家實驗室正致力于使用這一工藝對實驗快堆EBR-II的高濃鈾金屬乏燃料進行處理，目標是到2025 年生產多達10噸高豐度低濃鈾。能源部已于2019年1 月完成在愛達荷利用電化學工藝生產高豐度低濃鈾的環(huán)境影響評價，確認這一行為不會對環(huán)境產生不可忽視的影響。

ZIRCEX 工藝主要用于處理其他形式的乏燃料，共分三個步驟：一是在首端使用干法技術去除乏燃料的鋯制或鋁制包殼；二是在一個非常緊湊的溶劑萃取系統(tǒng)中實現(xiàn)鈾與裂變產物的分離；三是將回收的高濃鈾與低濃鈾混合，以獲得高豐度低濃鈾。愛達荷國家實驗室已建成一座小規(guī)模的ZIRCEX試驗設施，使用未輻照材料開展相關研究。另外有三個國家實驗室也參與了這個研究項目：阿貢國家實驗室開展溶劑萃取研究，橡樹嶺國家實驗室開展產品固化研究，西北太平洋國家實驗室開展廢物處理研究。

3.2 長期供應方案

為保障高豐度低濃鈾的長期供應，能源部正在幫助本國技術開發(fā)商森圖斯能源公司推進離心鈾濃縮技術的商業(yè)化。雙方已于2019年簽署一份為期三年、總價值1.15 億美元的合同，準備在俄亥俄州派克頓建設一個由16臺AC100M型離心機組成的級聯(lián)，示范高豐度低濃鈾的生產。

森圖斯能源2021 年宣布已獲得核管會批準，能夠在派克頓生產600千克鈾-235豐度高達20%的濃縮鈾。派克頓因此成為美國唯一獲準生產高豐度低濃鈾的鈾濃縮設施。預計該設施將于2022年上半年投運。

AC100M 型離心機是森圖斯能源在能源部支持下研發(fā)的。森圖斯能源2016年初宣布，一個由120臺離心機組成的濃縮已成功完成為期三年的示范運行，證明了這種離心機在實際運行期間的長期性能及其運行可靠性。此后，森圖斯在田納西州橡樹嶺繼續(xù)推進離心鈾濃縮技術的研究。

4 歐洲鈾濃縮公司擬建專用生產設施

歐洲鈾濃縮公司2019 年2 月宣布正考慮在美國建設一座高豐度低濃鈾專用生產設施，并逐步推進相關的設計和取證工作。該公司在新墨西哥州尤尼斯運營著美國唯一的商業(yè)鈾濃縮廠，產能為4800 tSWU/年，能夠滿足美國約1/3的濃縮服務需求。歐鈾位于歐洲的多座設施已獲準根據客戶需求生產鈾-235豐度超過5%的低濃鈾。

5 結語

能源部高豐度低濃鈾保障計劃主要用于滿足國內先進反應堆的研發(fā)、示范和商業(yè)應用需求。能源部期望這一行動能推動先進反應堆早日實現(xiàn)商業(yè)化，進而鼓勵私營企業(yè)投資建設高豐度低濃鈾生產設施，滿足未來的市場需求。屆時能源部將退出這一市場。2020年《能源法》規(guī)定，能源部高豐度低濃鈾保障計劃將于2034年9 月30 日或者市場有充足供應源的90 日后停止實施。

長期以來，由于國家投入不足且面臨激烈的市場競爭，曾居于全球領先地位的美國鈾濃縮產業(yè)進入21 世紀后不斷萎縮，近年來本國企業(yè)甚至喪失了商業(yè)鈾濃縮能力，使得國防領域長期的濃縮需求面臨威脅。因此，能源部在2020 年《重塑美國核能競爭優(yōu)勢》報告中指出：美國政府未來將采取積極行動，擺脫對國外鈾濃縮能力的依賴；擬采取的措施是資助高豐度低濃鈾相關研發(fā)，完成高豐度低濃鈾生產示范項目。