美启动高丰度低浓铀保障计划的制订

美国能源部2021年12月14日发布信息征集书，邀请相关各方为制订高丰度低浓铀保障计划提供意见和建议。这意味着能源部已根据2020年《能源法》的要求，为满足民用先进反应堆研发需求启动高丰度低浓铀保障计划的制订工作。

1 高丰度低浓铀

高丰度低浓铀是指铀-235丰度为5%～20%的铀。现有商业核电机组通常使用丰度低于5%的低浓铀燃料。相对于传统低浓铀，高丰度低浓铀有助于减小燃料组件尺寸，缩小反应堆体积，延长反应堆换料周期，并实现更高燃耗。

美将推动先进反应堆商业化部署视为创造就业、保障能源供应安全和实现碳减排目标的重要手段。高丰度低浓铀相对于传统低浓铀具有独特优势，是许多先进反应堆的不二选择。在能源部“先进反应堆示范计划”下获得资助的10种先进反应堆设计中，至少5种需要使用高丰度低浓铀燃料。能源部预计，为了实现先进反应堆的商业化，美在2030 年前将需要至少40 吨高丰度低浓铀。为了实现2050 年净零排放目标，美在2030年之后还需要每年提供一定数量的高丰度低浓铀，以满足先进反应堆的运行需求。

2 美国高丰度低浓铀供应情况

高丰度低浓铀可通过两种途径获得：一是稀释高浓铀，二是对低浓铀或天然铀进行浓缩。

能源部国家核军工管理局目前拥有高浓铀库存。这些高浓铀主要用于满足海军反应堆以及库存核武器管理工作的需求。少量高浓铀用于满足下述三方面需求：一是位于多个国家的研究堆和医用放射性同位素生产设施的需求；二是关键国防需求，例如为用于产氚的商业反应堆提供燃料；三是空间探索需求。因此，可供用于稀释成高丰度低浓铀的高浓铀数量十分有限，不足以满足近期先进反应堆研发和示范需求。

美本土的离心铀浓缩技术尚未实现商业化应用。唯一的商业铀浓缩厂位于墨西哥州尤尼斯，由欧洲铀浓缩公司拥有和运营，目前仅获准生产传统低浓铀燃料。因此，美国内目前没有高丰度低浓铀的商业供应源。

3 能源部的供应方案

为支持先进反应堆的研发和示范，能源部准备实施三种高丰度低浓铀供应方案，其中两种是近期供应方案，一种是长期供应方案。

3.1 近期供应方案

能源部及其国家实验室正在开展两种化学工艺研究，即电化学工艺和ZIRCEX 工艺，目的是从库存的高浓铀乏燃料中提取高浓铀（铀-235 丰度超过20%），然后稀释成高丰度低浓铀，以满足近期需求。

电化学工艺主要用于金属乏燃料的处理，共分为三个步骤：一是对乏燃料进行相关处理，然后在高温熔盐电解精炼槽中分离铀与裂变产物；二是使用真空精馏法对回收的高浓铀进行清洁，去除附着的熔盐；三是将回收的高浓铀与低浓铀混合，以获得高丰度低浓铀。爱达荷国家实验室正致力于使用这一工艺对实验快堆EBR-II的高浓铀金属乏燃料进行处理，目标是到2025 年生产多达10吨高丰度低浓铀。能源部已于2019年1 月完成在爱达荷利用电化学工艺生产高丰度低浓铀的环境影响评价，确认这一行为不会对环境产生不可忽视的影响。

ZIRCEX 工艺主要用于处理其他形式的乏燃料，共分三个步骤：一是在首端使用干法技术去除乏燃料的锆制或铝制包壳；二是在一个非常紧凑的溶剂萃取系统中实现铀与裂变产物的分离；三是将回收的高浓铀与低浓铀混合，以获得高丰度低浓铀。爱达荷国家实验室已建成一座小规模的ZIRCEX试验设施，使用未辐照材料开展相关研究。另外有三个国家实验室也参与了这个研究项目：阿贡国家实验室开展溶剂萃取研究，橡树岭国家实验室开展产品固化研究，西北太平洋国家实验室开展废物处理研究。

3.2 长期供应方案

为保障高丰度低浓铀的长期供应，能源部正在帮助本国技术开发商森图斯能源公司推进离心铀浓缩技术的商业化。双方已于2019年签署一份为期三年、总价值1.15 亿美元的合同，准备在俄亥俄州派克顿建设一个由16台AC100M型离心机组成的级联，示范高丰度低浓铀的生产。

森图斯能源2021 年宣布已获得核管会批准，能够在派克顿生产600千克铀-235丰度高达20%的浓缩铀。派克顿因此成为美国唯一获准生产高丰度低浓铀的铀浓缩设施。预计该设施将于2022年上半年投运。

AC100M 型离心机是森图斯能源在能源部支持下研发的。森图斯能源2016年初宣布，一个由120台离心机组成的浓缩已成功完成为期三年的示范运行，证明了这种离心机在实际运行期间的长期性能及其运行可靠性。此后，森图斯在田纳西州橡树岭继续推进离心铀浓缩技术的研究。

4 欧洲铀浓缩公司拟建专用生产设施

欧洲铀浓缩公司2019 年2 月宣布正考虑在美国建设一座高丰度低浓铀专用生产设施，并逐步推进相关的设计和取证工作。该公司在新墨西哥州尤尼斯运营着美国唯一的商业铀浓缩厂，产能为4800 tSWU/年，能够满足美国约1/3的浓缩服务需求。欧铀位于欧洲的多座设施已获准根据客户需求生产铀-235丰度超过5%的低浓铀。

5 结语

能源部高丰度低浓铀保障计划主要用于满足国内先进反应堆的研发、示范和商业应用需求。能源部期望这一行动能推动先进反应堆早日实现商业化，进而鼓励私营企业投资建设高丰度低浓铀生产设施，满足未来的市场需求。届时能源部将退出这一市场。2020年《能源法》规定，能源部高丰度低浓铀保障计划将于2034年9 月30 日或者市场有充足供应源的90 日后停止实施。

长期以来，由于国家投入不足且面临激烈的市场竞争，曾居于全球领先地位的美国铀浓缩产业进入21 世纪后不断萎缩，近年来本国企业甚至丧失了商业铀浓缩能力，使得国防领域长期的浓缩需求面临威胁。因此，能源部在2020 年《重塑美国核能竞争优势》报告中指出：美国政府未来将采取积极行动，摆脱对国外铀浓缩能力的依赖；拟采取的措施是资助高丰度低浓铀相关研发，完成高丰度低浓铀生产示范项目。