美国推进核武器氘化锂-6热核部件生产

美国2018年2月发布的新版《核态势评估》报告提出“应确保目前重建美国锂化合物生产能力的计划能够充分满足军事需求”。为落实该报告要求，能源部在2021财年预算申请报告中加大对“锂现代化”专项计划的经费投入，并增加新的锂加工设施建设费用，大力保障氘化锂-6热核部件供应。

1 保障氘化锂-6部件供应

锂-6与氘合成的氘化锂-6是氢弹必不可少的核心装料。在氢弹爆炸中，高能中子与装料中的锂-6发生反应生成氚，然后氚与氘发生聚变反应，释放出巨大能量。氚也是增强裂变弹的重要装料，锂-6是生产氚的关键原料之一。美国在核反应堆中，利用中子轰击偏铝酸锂合金靶件生成氚。因此，只要核武器存在，锂-6便是不可缺少的。

美国1963年停止生产军用锂-6，共生产了442.4吨。至今仍保有大量锂-6，其中大部分处于库存储备状态，少量存在于从核武器上拆卸下来的退役氘化锂-6部件(以下简称“退役部件”)中。库存锂-6材料主要为氯化锂-6，少量为锂金属，只有转化成氘化锂-6后才可用于制造部件；退役部件含有许多杂质，必须先经过纯化，去除杂质后才可再利用。

为制造新的氘化锂-6部件，美国2013年之前采用库存材料和回收退役部件，2013年改为仅回收利用退役部件，2019年又恢复利用库存材料。美国先后采取并正在研发多种工艺，对库存材料/退役部件进行加工。

第一种是针对退役部件的锂化学纯化和转化工艺，分为5个步骤：一是将退役锂部件在盐酸中溶解；二是经过蒸发结晶、电解还原等处理获得锂金属；三是通过氘化反应将锂金属转化成氘化锂；四是粉碎研磨；五是加工成型，制成核武器部件。

第二种是针对库存的锂转化工艺，分为4个步骤：一是对氯化锂进行电解还原处理，生成锂金属；二是经过氘化反应，将锂金属转化成氘化锂；三是粉碎研磨；四是加工成型，制成核武器部件。

由于空气处理系统中使用的干燥剂产生腐蚀性液体和气体，上述两种工艺2013年停用。

第三种是针对退役部件的直接材料制造工艺，即退役部件经打磨擦拭，去除表面杂质，然后粉碎研磨，再加工成型，制成核武器部件。该工艺于2012年启用，回收利用率低，打磨擦拭过程中产生的高达50%的锂化合物粉末无法再利用。虽然该工艺能够满足当前的生产要求，但美国认为无法满足未来预期需求，为此开始重新启用锂转化工艺，计划2020财年全面恢复。

第四种是美国正在研发的新型锂纯化工艺，目标是提高安全性和纯化效率。

2 开展锂工艺技术改造

2019财年，美国设立“锂保障”专项计划，拨款2914万美元，2020财年拨款2880万美元，2021财年改名为“锂现代化”计划，申请3940万美元，同比增长36.8%。经费增长的主要原因是需要加工更多的锂材料，以支持B61-12核弹研发计划以及电解池的全面投运。“锂现代化”计划为了保障武器所需的锂材料和部件供应，实施工艺改造和技术开发，主要活动包括：

(1) 回收和保障氘化锂材料。如前所述，美国目前利用两种工艺生产氘化锂材料，主要利用直接材料制造工艺。该工艺对退役部件的质量要求较高，约有15%的退役部件不适用。为保障该工艺所需的退役部件数量，美国将对更多部件进行认证。

(2) 重建将氯化锂转化为氘化锂的转化能力。美国现有大量氯化锂和锂金属库存。为了将其转化为可用于武器部件的氘化锂，该计划拨款支持电解池和氢化反应器的运行和维护，在2020财年全面恢复锂转化工作。

(3) 拨款支持辅助设施建设，保障生产能力。“锂现代化”计划支持对现有设施的维修、升级改造和关键设备更新，维持9204-2号楼的锂相关工作，直到新的锂加工设施建成。

(4) 研发和部署锂纯化和生产技术，支持新的锂加工设施。美国正在研发更加安全有效的锂纯化和生产工艺，包括四种新的锂纯化工艺、氘气捕获和回收工艺、锂粉末回收工艺、新的自动锂电解池等，以满足近期以及新的锂加工设施对新工艺的需求。

2020财年，美国能源部按计划交付了锂材料，并更新和验证了锂供需模型；完成了9204-2号楼的安全和维修工作；重新启动锂材料转化工艺设备，例如电解池和氢化反应器；完成锂纯化和生产技术的技术准备评估报告；完成锂均质化技术准备评估报告，达到技术成熟度5级(技术成熟度达到7级，具备工业应用条件)；完成锂热分解和蒸馏技术准备评估报告，达到技术成熟度5级。2021财年，美国能源部计划继续维持锂材料供应，维护锂供需模型；完善并使用新的锂加工工艺，以替代目前的技术；继续研发锂转化和纯化技术，重建这两种能力；维护和调整目前的运行设备，降低单点故障的风险。

3 新的锂加工设施

美国目前使用Y-12场址9204-2号楼加工锂部件。该设施始建于1943年，最初用于铀部件生产，1954年转用于锂加工，上世纪80年代末至90年代初对大部分设备进行替换或升级。随着时间推移，建筑结构和工艺设备不断老化，特别是用于回收锂-6的工艺产生大量腐蚀性液体和气体，导致房屋建筑腐蚀严重。此外，该设施过于庞大，大幅超过使用寿命，运营成本高昂，存在许多运营问题，无法满足当前的任务要求。

为实现未来氘化锂-6的长期可靠供应，替代现有9204-2号楼老旧设施，2015年美国批准新建锂加工设施的任务需求。新设施拟建在Y-12场址东侧正在拆除的生物综合设施，建筑面积约1.2万平方米，包括锂加工区、运输和接收区、存储区以及技术和管理支持区。在新设施开工之前，需要拆除旧的建筑物，修复受污染的环境。届时，新设施将按照现在的标准进行锂纯化和加工工作，拥有更加灵活的响应能力。

2019年美国完成该设施的概念设计，原计划2022财年开工建造，2027财年完成建设，2030财年开始运行。由于对该设施的需求有变，目前计划2024财年开工建造，2031财年完成建设，投运时间未知。此外，建设费用也进一步增加，从2019财年估计的7.2亿美元，增加到2020财年估计的9.55亿～16.45亿美元，主要原因是该设施建筑面积从9290平方米增加到1.2万平方米，以及工艺设备要求细化和项目风险的进一步明确。

4 结语

自2018年开始，美国采取一系列措施，设立“锂现代化”专项计划、研发新的锂加工工艺、加快新的锂加工设施建设，大力推进核武器氘化锂-6热核部件生产。这是特朗普政府推进核力量建设的一项重要举措。为确保我国核力量的长期有效性，也应确保锂材料的长期可靠供应；加快发展先进的工艺技术，积极更新改造加工设施；保持先进、足够的锂生产加工能力。