先進(jìn)反應(yīng)堆堆芯如果想要效率更高，壽命更長(zhǎng)，就需要使用高純度低濃縮鈾 (HALEU)。HALEU含有5%-19.75%的U-235。HALEU可以用于新型燃料設(shè)計(jì)，例如鈾合金燃料、陶瓷芯塊燃料和液體燃料。

這些燃料可以用于先進(jìn)反應(yīng)堆和微堆。在運(yùn)的輕水反應(yīng)堆可以替換為HALEU氧化鈾燃料，從而延長(zhǎng)運(yùn)行周期并提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

為了發(fā)揮HALEU的潛力，需要升級(jí)燃料循環(huán)基礎(chǔ)設(shè)施，以確保安全、保障和安保問題。HALEU的制備面臨著挑戰(zhàn)，因?yàn)槊绹?guó)目前沒有任何能夠?qū)⑩櫇饪s超過5%的設(shè)施。

供應(yīng)匱乏

美國(guó)能源部(DOE)核能辦公室的核工程師Daniel Vega在美國(guó)自然科學(xué)研究院(ANS)例會(huì)中呼吁支持高純度低濃縮鈾在先進(jìn)反應(yīng)堆和先進(jìn)輕水堆的燃料應(yīng)用。

在先進(jìn)反應(yīng)堆開發(fā)者對(duì)HALEU感興趣之前，其它行業(yè)已經(jīng)開始關(guān)注HALEU。醫(yī)用同位素生產(chǎn)曾經(jīng)依賴于高濃鈾(HEU)，但國(guó)家核安全管理局現(xiàn)在向美國(guó)醫(yī)用同位素生產(chǎn)商提供HALEU。世界上越來(lái)越多的研究堆已從HEU轉(zhuǎn)換為HALEU，HALEU的需求進(jìn)一步增大。

HALEU不僅吸引了先進(jìn)反應(yīng)堆開發(fā)商，也吸引了NASA。HALEU系統(tǒng)可以提供地面動(dòng)力和核熱推進(jìn)器。HALEU的需求預(yù)計(jì)將從2019年的1.532t增加到2030年的589.5t。參議院能源和自然資源委員會(huì)批準(zhǔn)的《核能領(lǐng)導(dǎo)法》(NELA) 要求DOE在2022年底前提供10t HALEU，并在2025年底前提供50 t HALEU。

嚴(yán)苛的濃度

5月，DOE與Centrus Energy的子公司American CentrifugeOperating LLC簽署了一份為期三年、價(jià)值1.15億美元的合同，在俄亥俄州派克頓的美國(guó)離心機(jī)工廠開發(fā)HALEU示范生產(chǎn)線。該公司承諾從2022年6月開始部署16臺(tái)AC-100M HALEU離心機(jī)并生產(chǎn)濃縮至19.75%的鈾。

Vega表示，與Centrus簽約是為先行者提供初始燃料的一種方式。如果成功，將進(jìn)行產(chǎn)量拓展。大約三年后，私營(yíng)企業(yè)可能會(huì)介入以擴(kuò)大規(guī)模。在此期間，DOE將在研究堆乏燃料中尋找可降混的高濃鈾。DOE認(rèn)為可降混的HEU最大來(lái)源之一是愛達(dá)荷州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(INL)。

DOE將使用約10t HALEU 來(lái)制造陶瓷和金屬燃料，以支持先進(jìn)反應(yīng)堆開發(fā)商和政府機(jī)構(gòu)的近期研究、開發(fā)和示范需求。由于DOE不能直接出售HALEU給微堆開發(fā)者，因此微堆的HALEU應(yīng)用是一個(gè)挑戰(zhàn)。

解決方案：微對(duì)開發(fā)者根據(jù)合作協(xié)議在INL進(jìn)行研究和展示的競(jìng)爭(zhēng)。

INL提供不同成分的 HALEU，以滿足各種先進(jìn)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的燃料規(guī)格和制造需求，包括但不限于不同濃縮水平的金屬和氧化物形式。但HALEU不能離開INL。

限制的原因之一是最終環(huán)境評(píng)估僅涵蓋在INL的使用，材料仍然是DOE的財(cái)產(chǎn)和責(zé)任。這么做的目的是在盡可能短的時(shí)間內(nèi)將HALEU用于微堆。

高濃鈾降混

指定用于微堆示范的10t HALEU中的大部分將來(lái)自實(shí)驗(yàn)增殖反應(yīng)器 II(EBR-II)中先前經(jīng)過輻照的高濃鈾金屬燃料。

輻照燃料被制備并放入熔鹽電解精煉器中，在從裂變產(chǎn)物和超鈾元素中回收金屬鈾。采用真空蒸餾法從回收的鈾中去除電解精煉鹽，然后將其混合成U-235含量低于20%的濃縮物。HALEU可以鑄造成適合處置或再利用的形式。2018年，INL擁有3.86t HALEU。

ZIRCEX工藝

另一種可以從聯(lián)邦政府擁有的燃料中生產(chǎn)HALEU的工藝是 ZIRCEX，鋯提取的縮寫。

INL目前正在使用四分之一規(guī)模的試驗(yàn)設(shè)施進(jìn)行研發(fā)，采用海軍反應(yīng)堆乏燃料進(jìn)行ZIRCEX工藝展示。從輻照燃料中回收HEU使用了一種液體前端工藝，該工藝可以溶解整個(gè)燃料元件，包括包殼材料。

然后在燃料制造之前，通過添加天然鈾將鈾混合到HALEU水平。據(jù)INL稱，ZIRCEX將產(chǎn)生的液體廢物量減少了1,000多倍。其他國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也參與了ZIRCEX工藝的開發(fā)。

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在研究溶劑萃取，太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)廢物處理，橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)產(chǎn)品固化。

三層各向同性包覆(TRISO)核燃料

在美國(guó)，目前有三個(gè)獲得許可生產(chǎn)低濃鈾燃料的第三類設(shè)施和兩個(gè)可以處理高濃鈾以滿足研究反應(yīng)堆和軍事需求的第一類設(shè)施。HALEU屬于第二類，還沒有設(shè)施獲得許可。

X-energy旨在通過許可和建造TRISO-X燃料制造設(shè)施來(lái)制造基于HALEU的碳氧化鈾 (UCO) 三層各向同性包覆(TRISO)核燃料。在DOE合作協(xié)議資金的支持下，X-energy正在領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)評(píng)估燃料設(shè)計(jì)和公用事業(yè)/運(yùn)營(yíng)商要求的項(xiàng)目，完成TRISO-X設(shè)施的初步和最終設(shè)計(jì)，并完成許可申請(qǐng)流程。

X-energy希望在2024年第二季度研發(fā)完成TRISO燃料年產(chǎn)能為5t的設(shè)備。2018年11月，Centrus和X-energy簽署了一份服務(wù)合同，Centrus將為X-energy提供技術(shù)和資源，開始對(duì)TRISO-X設(shè)施進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。