美国公布海军核动力堆燃料低浓化初步研究成果

2020年2月，美国能源部国防核不扩散办公室发布报告《针对先进低浓铀燃料开发的燃料-反应堆概念的初步评价》，介绍了有助于美国实现海军核动力堆燃料低浓化的反应堆和燃料技术。这份报告由能源部下属三家国家实验室合作编写，即爱达荷国家实验室、橡树岭国家实验室和阿贡国家实验室，推荐了两种反应堆堆型和七种燃料，可供开展进一步研究。

根据国际裂变材料专家组公布的信息，美国和英国海军核动力堆目前使用铀-235丰度为93.5%的武器级高浓铀燃料，俄罗斯和印度使用丰度超过20%的高浓铀燃料，法国使用低浓铀燃料。

目的

美国推动海军动力堆燃料低浓化的目的有两个。第一，加强防扩散，降低高浓铀使用带来的扩散风险。美国一直领导着一项全球努力，即减少并最终结束将高浓铀用作研究堆燃料或者用于医用放射性同位素生产。海军动力堆实现燃料低浓化，将把这项努力扩大到终止高浓铀除武器之外的所有其他应用。第二，使其他国家不能以发展海军动力堆为借口谋求获得或生产高浓铀。

动力堆燃料低浓化影响

如果使用铀-235丰度为19.75%的低浓铀(这是国际公认的铀-235丰度最高的低浓铀)来替代高浓铀，由于能量密度低，将需要增加动力堆尺寸，或者缩短动力堆换料周期：对于一次装料可运行33年的弗吉尼亚级核潜艇反应堆，如果使用低浓铀燃料，需要换料三次；对于福特级航母，需要将全寿期换料次数从目前的一次增加至两次。由于换料会增加反应堆维修工作量，削减舰艇的服役时间，增加废物处置费用，提高相关人员的职业辐射照射剂量以及大幅增加制造换料堆芯所需的制造和采购费用，因此增加换料次数将会使海军编队每年增加数十亿美元的运营费用。

研究历史

能源部海军反应堆办公室曾应国会要求提交两份报告，即2014年《有关供海军反应堆使用的低浓铀报告》和2016年《海军低浓铀燃料概念研发计划》。2014年报告对美国海军反应堆转用低浓铀燃料的技术、环境、费用和不扩散影响进行了评估，并得出结论：转用低浓铀燃料会对反应堆尺寸、换料周期以及海军舰艇的运行费用造成重大不利影响，但新型先进低浓铀燃料系统可能缓解这些影响，使海军反应堆能够转用低浓铀燃料。2016年报告介绍了一份需要投资10亿美元、历时15年的海军低浓铀燃料研发计划(详见本刊2016年第9期相关报道)。

虽然国会2016财年和2017财年曾为能源部海军核反应堆办公室拨款，要求启动低浓铀研究计划，但这一计划没有得到实施，因为时任能源部部长和海军部部长均不支持该计划，认为燃料低浓化研究计划将与其他项目竞争资金，使其他项目面临风险。因此，国会从2018财年开始为能源部国防核不扩散办公室提供资金，开展海军低浓铀燃料研究。核不扩散办公室则委托爱达荷、橡树岭和阿贡三家实验室开展相关研究。2018—2020财年，该研究计划总计获得3000万美元资金。

建议

国防核不扩散办公室在最新发布的报告中指出，在开展反应堆研究时，研究团队选择的主要技术参数是，反应堆热功率为350兆瓦，电功率为100兆瓦，单一堆芯寿期为30年，燃料丰度为19.75%，能够在0至100%功率水平快速改变运行功率，30年寿期内的平均负荷因子为20%。燃料可以采用棒状、板状或颗粒床配置，可以是金属或陶瓷材料。研究团队对9种堆型即压水堆、沸水堆、气冷热堆、重水堆、熔盐堆、气冷快堆、超临界水冷堆、钠冷快堆和铅冷快堆进行了评价，并得出结论：建议选择压水堆和钠冷快堆开展进一步研究，因为这两种堆型的技术成熟度较高，其他堆型还需要应对大量技术挑战。例如气冷堆需要在紧凑的发电系统中实现高流量和高压降；熔盐堆和超临界水冷在减少设备腐蚀以及实现快速启动方面面临挑战。

研究团队还提议了七种可供开展进一步研究的燃料，并将这些燃料分为两类。第一类有四种，即二氧化铀、含钼7%至10%的铀钼合金、带有膨胀抑制剂的硅化三铀以及含钼1%且含硅2%的铀金属。二氧化铀为基准燃料，另外三种的铀密度比二氧化铀高50%，可以在同样的空间中装入更多铀，从而减少因丰度降低带来的反应堆体积损失。因此这些候选燃料相对于其他燃料有更大的优势。第二类有三种，即含锆10%的铀锆合金、碳化铀和氮化铀(详见表1)。

表1 建议开展进一步研究的七种燃料

1 本项研究的基准系统是，以水或液体钠为冷却剂，采用棒形或板形UO2燃料。

2 x=7、9或10，即钼质量百分含量分别为7%、9%或10%的铀钼合金。

小结

出于防扩散目的，美国国会近年来一直推进海军核动力堆燃料低浓化研究。但由于能源部和海军部的反对，这一研究由能源部国防核不扩散办公室而不是海军反应堆办公室牵头负责。在对9种堆型完成初步研究后，核不扩散办公室建议未来重点开展压水堆和钠冷快堆研究，并为这两种堆型推荐了七种燃料。