美国公布海军低浓铀燃料概念研发计划

(伍浩松 王 政 编译)



美国公布海军低浓铀燃料概念研发计划

【本刊2016年9月综合报道】 美国能源部海军反应堆办公室2016年7月公布了一份名为《海军低浓铀燃料概念研发计划》的文件。这份报告基于海军反应堆办公室2014年1月公布的报告《有关供海军反应堆使用的低浓铀的报告》。

这两份报告均应美国国会的要求编写，并供国会审议和讨论。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的换料周期、反应堆尺寸和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，使美国海军反应堆能够转用低浓铀燃料。

2016年报告对海军低浓铀燃料研发计划的内容、重要时间节点、所需经费以及相关利弊进行了简要介绍。报告表示，在海军低浓铀燃料投入实际应用之前，需要开展两个阶段的工作，即研发阶段和部署阶段。其中研发工作需要耗资9.9亿美元，并历时15年。

研发工作面临巨大的技术风险，可能需要对美国在过去60多年中研发和使用的海军燃料技术做出巨大改变。但如果获得成功，航母反应堆将能够在21世纪40年代转用低浓铀燃料；而对于全寿期不用换料的潜艇反应堆，新型低浓铀燃料系统不可能满足相关要求。除了研发费用，使航母反应堆转用低浓铀燃料还需要支付数十亿美元的相关工程和制造费用。

使用低浓铀替代高浓铀的影响

报告假设使用铀-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。由于低浓铀的能量密度较低，如果使用这种低浓铀直接替代现役海军反应堆的高浓铀燃料，会缩短反应堆的换料周期或需要增加反应堆的尺寸：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，需要将换料次数从目前的一次增加至两次。

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，因为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，为了将低浓铀的这些不利影响降至最低，需要研发新型低浓铀燃料系统，以便能够在同样的空间内装填更多的燃料。此类燃料系统能够将铀装载量提升至超出目前的实际可行水平，同时满足海军反应堆严格的性能要求。此类燃料系统的详细情况属于保密信息，因此报告没有披露。但是，报告指出，此类燃料系统的研发和部署面临巨大的技术风险，可能会需要对美国在过去60多年中研发和使用的海军燃料技术做出巨大改变。虽然不能保证一定能获得成功，但此类燃料系统将允许使用低浓铀燃料，并能够将对反应堆换料周期和尺寸以及舰船费用的不利影响降至最低。在能够投入实际应用之前，需要花费很长的时间来开展相关研发工作。美国以前的海军燃料系统在初次投入实际应用之前，研发工作(取决于系统的复杂程度)曾长达15年。

报告将新型燃料系统的研发和部署分为两个独立阶段，即燃料系统研发阶段和燃料系统部署阶段。

研发阶段

在燃料系统研发阶段，将研发供试验的燃料系统和实验室规模的生产方法，以及获得开展堆芯工程设计所需的试验数据。将为下述两个目的使用小燃料样本开展研发工作：

· 建立基本制造工艺；

· 检测辐照后燃料的性能和特性。

图1列出了研发计划的进度和三个重要节点，表1列出了2018—2032财年期间的各财年费用。

图1 美国海军低浓铀燃料系统研发进度表

2018财年35002019财年65002020财年85002021财年80002022财年80002023财年75002024财年65002025财年65002026财年70002027财年70002028财年60002029财年60002030财年60002031财年60002032财年6000总计99000

如图1所示，在研发阶段将开展五次辐照试验，以便逐步改进系统设计并证明燃料性能能够满足相关要求。第一次试验将使用高浓铀燃料进行。此次试验可使用现有的燃料、设施以及相关的配套基础设施。

由于超铀元素在辐照后低浓铀燃料中的积累量超过辐照后高浓铀燃料，导致前者的放射性会显著高于后者，因此需要为开展低浓铀辐照试验建设相关基础设施。

在完成相关基础设施的建设之后，将开展低浓铀辐照试验。在高浓铀试验中获得的信息通常可用于低浓铀燃料系统研发。在开展燃料辐照试验的同时，将进行概念设计的工程研究，以确保试验样本能够代表实际堆芯设计，评估试验结果对反应堆设计和性能的影响，在设计和制造约束条件之间取得平衡以及评价原型反应堆堆型的方案。图1还显示了用于评估相关工作成果的三个重要节点。

2021年是第一个重要节点。在这一节点，将使用高浓铀燃料评估燃料系统性能，并判断是否需要使用低浓铀开展进一步的辐照试验。用于支持这一节点的工作还包括确定开展低浓铀辐照试验所需的实验室基础设施建设和改造，例如样本运输容器的设计和采购以及热室的整修。

2027年是第二个重要节点。在这一节点，将评估最终的高浓铀辐照试验结果以及初步的低浓铀辐照试验结果。在实验室规模完成第一次和第二次低浓铀辐照样本的试验性制造，包括尝试制造全规模燃料元件。这些试验性制造使研究人员了解将在制造全规模燃料元件的过程中面临的主要障碍。

2032年是第三个重要节点。在这一节点，将评估第一次低浓铀辐照试验的最终结果以及从第二次和第三次低浓铀辐照试验中获得的数据。还将评估从试验性制造中获得的成果，以了解制造足以供航母反应堆堆芯使用的燃料系统的可行性以及相关费用。

根据表1列出的数据，完成第一个重要节点时的支出为 2.65亿美元，完成第二个重要节点时的支出为6.9亿美元，到2032年完成第三个重要节点时，总支出将达9.9亿美元。表1列出的数据包括下述支出：实验室规模的制造、辐照试验以及满足重要节点要求需要开展的基础设施工作。

部署阶段

如果研发工作确定海军低浓铀燃料具备技术可行性，将启动部署阶段工作，即在反应堆中部署燃料系统。

先进低浓铀燃料系统也许能够在不增加反应堆换料次数的情况下满足航母反应堆(现役尼米兹级和福特级航母反应堆在整个服役期内需要换料一次)的相关要求。初步设计工作表明：将低浓铀燃料用于航母反应堆能够在可供使用的反应堆尺寸范围内满足航母的性能要求，但所需费用较高；先进低浓铀燃料系统不可能满足全寿期不用换料的现役潜艇反应堆的要求。如果转用低浓铀燃料，潜艇反应堆在其寿期中至少需要换料一次，或需要相应增加反应堆的体积以便装入更多燃料。这两种方案均会增加潜艇的全寿期费用、运行费用和相关人员的职业辐照照射剂量，并会增加乏燃料的产生量。与航母反应堆相比，潜艇反应堆在转用低浓铀燃料时将面临更为严峻的挑战。因此，下面的内容主要关注供航母反应堆使用的低浓铀燃料。在部署阶段，需要在下述五个领域开展工作。

第一个领域是制造工艺和基础设施。先进燃料设计涉及多种不同的燃料元件制造方法和设备。需要研发新型制造和检查工艺以及相应的制造设备和设施。预计将分两个阶段开展工厂建设工作。首先，建设一条试生产作业线，以研究将在原型堆中接受辐照的燃料元件生产工艺。这一阶段工作将在7年内完成，并耗资约3亿美元。接着，扩大在试生产作业线基础上建立的生产线的产能，使其能满足首次在航母反应堆中实际应用的需求。这一阶段工作将在8年内完成，并耗资约3亿美元。在开展燃料研发工作的同时，将完成生产设施的规划工作。

第二个领域是原型堆。由于燃料开发工作主要基于小燃料样本在位于爱达荷国家实验室(INL)的先进试验堆(ATR)中接受辐照获得的经验，因此在将新型燃料放入航母反应堆之前，还需要在一座原型堆中对新型燃料的性能进行验证。原型堆试验将使新型燃料在海军反应堆堆芯的实际运行条件下接受辐照，从而验证燃料性能和堆芯寿期。原型堆的开发和运行将耗资数十亿美元。将在2027年即研发计划的第二个重要节点之前明确原型堆相关工作的范围。

第三个领域是航母反应堆堆芯设计和采购。基于以前的经验，福特级航母反应堆新型低浓铀燃料堆芯的设计和采购工作需要耗费10年时间，并耗资15亿～24亿美元，包括首批2个堆芯的设计、工程和采购费用。

第四个领域是乏燃料运输和处置。正如上文提及的，低浓铀乏燃料的放射性高于高浓铀乏燃料。因此，需要为低浓铀乏燃料设计和采购专门设备，包括带有附加屏蔽的新型运输容器、新型运输容器的装卸设备以及相应的水池装卸和处理设备。相关费用估计高达10亿美元。

第五个领域是低浓铀燃料和堆芯的制造费用。基于对一套2个福特级反应堆堆芯费用产生的影响，估算了新型燃料系统对堆芯制造和管理费用的影响。由于下述因素的影响，堆芯制造和管理费用将出现上升：更为复杂的燃料制造、低浓铀材料费用、需要稀释高浓铀以获得低浓铀、以及需要支持相互独立的高浓铀燃料(用于为潜艇反应堆提供燃料)和低浓铀燃料(用于为航母反应堆提供燃料)生产线的运行(这会导致工作效率的降低)。虽然海军反应堆办公室会尽力将相关影响降至最低，但估计反应堆制造费用将上升25%～35%，或者每个福特级航母反应堆堆芯费用增加多达2.65亿美元。

收益与风险

报告对海军低浓铀燃料研发工作将带来的收益和风险进行了简要介绍。这项工作带来的收益包括：

· 这一努力有利于美国巩固在核不扩散领域的全球领导地位。

· 海军需要拥有反应堆燃料技术专门知识的人才，以便能解决在燃料制造和舰队支持方面出现的紧急问题。而新型海军低浓铀燃料研发计划将有助于这一领域人才的培养、成长和保持。

· 这一努力有助于推进燃料系统的发展，提升海军燃料的水平，并可能获得性能更好的海军反应堆燃料系统，从而为海军转用低浓铀燃料提供方案。

这项工作面临的风险包括：

· 低浓铀燃料系统的研发和部署工作不能保证获得成功。海军反应堆使用低浓铀燃料，严重偏离了美国过去60多年中在使用高浓铀燃料海军反应堆方面获得的经验。因此，如果使用低浓铀燃料，未来的设计、制造、操作、屏蔽和辐射控制、燃料装卸和乏燃料处置等工作都将以与以前不同的方式进行。这一研究可能导致虽然付出了大量资源，但却不能获得令人满意的海军低浓铀燃料。

· 这一研究工作会与其他海军研究工作(例如为未来的潜艇设计新型堆芯)抢夺资源，从而使后者面临风险。

· 美国海军潜艇和航母的作战需求对反应堆堆芯能量密度提出了很高的要求。使用低浓铀替代高浓铀，可能会使反应堆的性能降低并变得更为昂贵。因此，如果美国政府决定海军转用低浓铀燃料，则需要适当增加海军和能源部的经费。

(伍浩松 王 政 编译)