2020年2月，美國(guó)能源部國(guó)防核不擴(kuò)散辦公室發(fā)布報(bào)告《針對(duì)先進(jìn)低濃鈾燃料開發(fā)的燃料-反應(yīng)堆概念的初步評(píng)價(jià)》，介紹了有助于美國(guó)實(shí)現(xiàn)海軍核動(dòng)力堆燃料低濃化的反應(yīng)堆和燃料技術(shù)。這份報(bào)告由能源部下屬三家國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作編寫，即愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，推薦了兩種反應(yīng)堆堆型和七種燃料，可供開展進(jìn)一步研究。

根據(jù)國(guó)際裂變材料專家組公布的信息，美國(guó)和英國(guó)海軍核動(dòng)力堆目前使用鈾-235豐度為93.5%的武器級(jí)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(guó)使用低濃鈾燃料。

目的

美國(guó)推動(dòng)海軍動(dòng)力堆燃料低濃化的目的有兩個(gè)。第一，加強(qiáng)防擴(kuò)散，降低高濃鈾使用帶來(lái)的擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)。美國(guó)一直領(lǐng)導(dǎo)著一項(xiàng)全球努力，即減少并最終結(jié)束將高濃鈾用作研究堆燃料或者用于醫(yī)用放射性同位素生產(chǎn)。海軍動(dòng)力堆實(shí)現(xiàn)燃料低濃化，將把這項(xiàng)努力擴(kuò)大到終止高濃鈾除武器之外的所有其他應(yīng)用。第二，使其他國(guó)家不能以發(fā)展海軍動(dòng)力堆為借口謀求獲得或生產(chǎn)高濃鈾。

動(dòng)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(guó)際公認(rèn)的鈾-235豐度最高的低濃鈾)來(lái)替代高濃鈾，由于能量密度低，將需要增加動(dòng)力堆尺寸，或者縮短動(dòng)力堆換料周期：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，需要將全壽期換料次數(shù)從目前的一次增加至兩次。由于換料會(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。

研究歷史

能源部海軍反應(yīng)堆辦公室曾應(yīng)國(guó)會(huì)要求提交兩份報(bào)告，即2014年《有關(guān)供海軍反應(yīng)堆使用的低濃鈾報(bào)告》和2016年《海軍低濃鈾燃料概念研發(fā)計(jì)劃》。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)堆尺寸、換料周期以及海軍艦艇的運(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，使海軍反應(yīng)堆能夠轉(zhuǎn)用低濃鈾燃料。2016年報(bào)告介紹了一份需要投資10億美元、歷時(shí)15年的海軍低濃鈾燃料研發(fā)計(jì)劃(詳見本刊2016年第9期相關(guān)報(bào)道)。

雖然國(guó)會(huì)2016財(cái)年和2017財(cái)年曾為能源部海軍核反應(yīng)堆辦公室撥款，要求啟動(dòng)低濃鈾研究計(jì)劃，但這一計(jì)劃沒有得到實(shí)施，因?yàn)闀r(shí)任能源部部長(zhǎng)和海軍部部長(zhǎng)均不支持該計(jì)劃，認(rèn)為燃料低濃化研究計(jì)劃將與其他項(xiàng)目競(jìng)爭(zhēng)資金，使其他項(xiàng)目面臨風(fēng)險(xiǎn)。因此，國(guó)會(huì)從2018財(cái)年開始為能源部國(guó)防核不擴(kuò)散辦公室提供資金，開展海軍低濃鈾燃料研究。核不擴(kuò)散辦公室則委托愛達(dá)荷、橡樹嶺和阿貢三家實(shí)驗(yàn)室開展相關(guān)研究。2018—2020財(cái)年，該研究計(jì)劃總計(jì)獲得3000萬(wàn)美元資金。

建議

國(guó)防核不擴(kuò)散辦公室在最新發(fā)布的報(bào)告中指出，在開展反應(yīng)堆研究時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)選擇的主要技術(shù)參數(shù)是，反應(yīng)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(yùn)行功率，30年壽期內(nèi)的平均負(fù)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(tuán)隊(duì)對(duì)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(jìn)行了評(píng)價(jià)，并得出結(jié)論：建議選擇壓水堆和鈉冷快堆開展進(jìn)一步研究，因?yàn)檫@兩種堆型的技術(shù)成熟度較高，其他堆型還需要應(yīng)對(duì)大量技術(shù)挑戰(zhàn)。例如氣冷堆需要在緊湊的發(fā)電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高流量和高壓降；熔鹽堆和超臨界水冷在減少設(shè)備腐蝕以及實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)方面面臨挑戰(zhàn)。

研究團(tuán)隊(duì)還提議了七種可供開展進(jìn)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(zhǔn)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(lái)的反應(yīng)堆體積損失。因此這些候選燃料相對(duì)于其他燃料有更大的優(yōu)勢(shì)。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(jìn)一步研究的七種燃料

1 本項(xiàng)研究的基準(zhǔn)系統(tǒng)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(zhì)量百分含量分別為7%、9%或10%的鈾鉬合金。

小結(jié)

出于防擴(kuò)散目的，美國(guó)國(guó)會(huì)近年來(lái)一直推進(jìn)海軍核動(dòng)力堆燃料低濃化研究。但由于能源部和海軍部的反對(duì)，這一研究由能源部國(guó)防核不擴(kuò)散辦公室而不是海軍反應(yīng)堆辦公室牽頭負(fù)責(zé)。在對(duì)9種堆型完成初步研究后，核不擴(kuò)散辦公室建議未來(lái)重點(diǎn)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。