美國能源部2021年12月14日發(fā)布信息征集書，邀請相關(guān)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(jù)2020年《能源法》的要求，為滿足民用先進(jìn)反應(yīng)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(jī)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(yīng)堆體積，延長反應(yīng)堆換料周期，并實現(xiàn)更高燃耗。

美將推動先進(jìn)反應(yīng)堆商業(yè)化部署視為創(chuàng)造就業(yè)、保障能源供應(yīng)安全和實現(xiàn)碳減排目標(biāo)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(jìn)反應(yīng)堆的不二選擇。在能源部“先進(jìn)反應(yīng)堆示范計劃”下獲得資助的10種先進(jìn)反應(yīng)堆設(shè)計中，至少5種需要使用高豐度低濃鈾燃料。能源部預(yù)計，為了實現(xiàn)先進(jìn)反應(yīng)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(biāo)，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(jìn)反應(yīng)堆的運行需求。

2 美國高豐度低濃鈾供應(yīng)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(jìn)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(yīng)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(chǎn)設(shè)施的需求；二是關(guān)鍵國防需求，例如為用于產(chǎn)氚的商業(yè)反應(yīng)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(jìn)反應(yīng)堆研發(fā)和示范需求。

美本土的離心鈾濃縮技術(shù)尚未實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)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(zhǔn)生產(chǎn)傳統(tǒng)低濃鈾燃料。因此，美國內(nèi)目前沒有高豐度低濃鈾的商業(yè)供應(yīng)源。

3 能源部的供應(yīng)方案

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

3.1 近期供應(yīng)方案

能源部及其國家實驗室正在開展兩種化學(xué)工藝研究，即電化學(xué)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(xué)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(jìn)行相關(guān)處理，然后在高溫熔鹽電解精煉槽中分離鈾與裂變產(chǎn)物；二是使用真空精餾法對回收的高濃鈾進(jìn)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(dá)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(jìn)行處理，目標(biāo)是到2025 年生產(chǎn)多達(dá)10噸高豐度低濃鈾。能源部已于2019年1 月完成在愛達(dá)荷利用電化學(xué)工藝生產(chǎn)高豐度低濃鈾的環(huán)境影響評價，確認(rèn)這一行為不會對環(huán)境產(chǎn)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(shù)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(chǎn)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(dá)荷國家實驗室已建成一座小規(guī)模的ZIRCEX試驗設(shè)施，使用未輻照材料開展相關(guān)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(chǎn)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(yīng)方案

為保障高豐度低濃鈾的長期供應(yīng)，能源部正在幫助本國技術(shù)開發(fā)商森圖斯能源公司推進(jìn)離心鈾濃縮技術(shù)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(zhǔn)備在俄亥俄州派克頓建設(shè)一個由16臺AC100M型離心機(jī)組成的級聯(lián)，示范高豐度低濃鈾的生產(chǎn)。

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

AC100M 型離心機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)離心鈾濃縮技術(shù)的研究。

4 歐洲鈾濃縮公司擬建專用生產(chǎn)設(shè)施

歐洲鈾濃縮公司2019 年2 月宣布正考慮在美國建設(shè)一座高豐度低濃鈾專用生產(chǎn)設(shè)施，并逐步推進(jìn)相關(guān)的設(shè)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(chǎn)能為4800 tSWU/年，能夠滿足美國約1/3的濃縮服務(wù)需求。歐鈾位于歐洲的多座設(shè)施已獲準(zhǔn)根據(jù)客戶需求生產(chǎn)鈾-235豐度超過5%的低濃鈾。

5 結(jié)語

能源部高豐度低濃鈾保障計劃主要用于滿足國內(nèi)先進(jìn)反應(yīng)堆的研發(fā)、示范和商業(yè)應(yīng)用需求。能源部期望這一行動能推動先進(jìn)反應(yīng)堆早日實現(xiàn)商業(yè)化，進(jìn)而鼓勵私營企業(yè)投資建設(shè)高豐度低濃鈾生產(chǎn)設(shè)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(yīng)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(lǐng)先地位的美國鈾濃縮產(chǎn)業(yè)進(jìn)入21 世紀(jì)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(lǐng)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(guān)研發(fā)，完成高豐度低濃鈾生產(chǎn)示范項目。