＊李維杰

（中核第七研究設(shè)計(jì)院有限公司 山西 030012）

核電作為安全高效的清潔能源，在能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著不可替代的作用，核能供熱、制氫、海水淡化等核能綜合利用將進(jìn)一步拓展核能用途，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)提供重要支撐。

高豐度低濃鈾（High-assay Low-enriched Uranium，HALEU）是指鈾-235豐度大于5%且小于20%的濃縮鈾。

以小型模塊化反應(yīng)堆（SMR）為代表的先進(jìn)核反應(yīng)堆技術(shù)日趨成熟，部分堆型已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行階段，部分堆型正在建設(shè)[1]。隨著先進(jìn)核反應(yīng)堆技術(shù)日趨成熟，HALEU的市場(chǎng)需求量將顯著提升。由于HALEU豐度提升，生產(chǎn)、運(yùn)輸過程中的臨界安全問題與傳統(tǒng)低濃鈾生產(chǎn)存在明顯差異，原有的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可能無法保障HALEU的安全生產(chǎn)和使用。為了滿足我國(guó)及國(guó)際市場(chǎng)日益增長(zhǎng)的HALEU需求，有必要研究HALEU生產(chǎn)、使用過程中需要突破的關(guān)鍵點(diǎn)，為HALEU實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、使用創(chuàng)造條件。

以天然鈾為供料，以氣體離心法為技術(shù)手段生產(chǎn)HALEU時(shí)與生產(chǎn)低濃鈾的過程類似，前段為鈾礦冶、鈾純化轉(zhuǎn)化，經(jīng)過鈾濃縮提升鈾-235豐度后，進(jìn)入核燃料元件制造環(huán)節(jié)。其中，鈾礦冶、鈾純化轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)與生產(chǎn)低濃鈾過程相同，主要區(qū)別在于鈾濃縮生產(chǎn)系統(tǒng)、取料系統(tǒng)和運(yùn)輸系統(tǒng)。

1.國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

(1)HALEU生產(chǎn)和使用

①美國(guó)HALEU生產(chǎn)和使用情況

美國(guó)正在探索3種HALEU的生產(chǎn)方法：

A.電化學(xué)加工。愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室將處理過的美國(guó)能源部研究反應(yīng)堆的輻照燃料放入高溫熔鹽化學(xué)浴中，用電流從裂變產(chǎn)物中分離出高濃縮鈾金屬，經(jīng)過凈化與低濃鈾混合生成HALEU。

B.混合鋯提取工藝（ZIRCEX）。愛達(dá)荷、阿貢、橡樹嶺和西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在聯(lián)合開展研究工作，將輻照過的燃料溶解在鹽酸氣體中，以去除鋁或鋯包殼。之后，通過一個(gè)模塊化的溶劑提取系統(tǒng)，從裂變產(chǎn)物中分離出鈾。然后，將提取物與低濃縮鈾進(jìn)行稀釋，并還原為固態(tài)，以生產(chǎn)HALEU。

C.氣體離心法。美國(guó)能源部與森圖斯能源公司合作，開展氣體離心法HALEU生產(chǎn)演示驗(yàn)證項(xiàng)目，旨在向潛在供應(yīng)商發(fā)出一個(gè)強(qiáng)烈的信號(hào)，即當(dāng)市場(chǎng)需要時(shí)，國(guó)內(nèi)將有生產(chǎn)HALEU的成熟能力。

2022年1月，美國(guó)能源部宣布，美國(guó)南方核電公司同意在其一個(gè)商用反應(yīng)堆中安裝四個(gè)鈾-235濃度高達(dá)6%鉛測(cè)試組件，預(yù)計(jì)2023年鉛測(cè)試組件將被裝載到喬治亞核電廠2號(hào)機(jī)組。

②俄羅斯HALEU生產(chǎn)和使用情況

俄羅斯在SMR研制、HALEU生產(chǎn)等方面擁有豐富的研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。俄羅斯是目前國(guó)際市場(chǎng)上唯一的HALEU供應(yīng)商，擁有約28MSWU/y（28000tSWU/y）的分離功產(chǎn)能，占據(jù)了全世界約46%的市場(chǎng)份額[2]。

借助龐大的分離功產(chǎn)能，俄羅斯能夠比西方供應(yīng)商更快捷、廉價(jià)的提供HALEU燃料。俄羅斯已經(jīng)為破冰船和浮動(dòng)反應(yīng)堆項(xiàng)目生產(chǎn)HALEU燃料，并且生產(chǎn)場(chǎng)地已經(jīng)取得許可。Rosatom表示，在訂購6～9個(gè)月內(nèi)可以向美國(guó)交付豐度為19.75%的HALEU，每年的交付數(shù)量可以達(dá)到幾噸。Rosatom可以以二氧化鈾或金屬鈾的形式交付HALEU，在不久的將來還能夠以鈾鉬和鈾鋁合金的形式交付。

2021年12月，首批創(chuàng)新的鈾钚再混合燃料被裝入俄羅斯巴拉科沃核電站1號(hào)機(jī)組的VVER-1000反應(yīng)堆。2021年初，在巴拉科沃核電站3號(hào)機(jī)組完成了3個(gè)實(shí)驗(yàn)燃料組件的試點(diǎn)運(yùn)行方案，包括6個(gè)實(shí)驗(yàn)再混合燃料棒，共涉及3～18個(gè)月的輻照周期。

③巴西HALEU生產(chǎn)和使用情況

巴西最大的放射性同位素生產(chǎn)商能源與核研究所（IPEN）已經(jīng)為國(guó)際能源機(jī)構(gòu)-R1生產(chǎn)了幾批HALEU（UF6產(chǎn)品，鈾-235濃度為19.75%）。位于圣保羅的巴西海軍技術(shù)中心（CTMSP）的Aramar濃縮設(shè)施生產(chǎn)了多批次的HALEU，用于制造燃料或制造生產(chǎn)鉬-99的靶。巴西的HALEU生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)未來可用于滿足國(guó)內(nèi)HALEU需求及出口需求[3]。

(2)六氟化鈾運(yùn)輸容器

國(guó)際六氟化鈾運(yùn)輸普遍使用滿足ISO 7195《Nuclearenergy—Packagings for the transport of uranium hexafluoride(UF6)》標(biāo)準(zhǔn)的容器。其中，8A容器容積約為37.35L，可以用于運(yùn)輸豐度12.5%的六氟化鈾，1S、2S、5B容器可以運(yùn)輸豐度更高的六氟化鈾，但容積較小，1S容器容積為0.15L，2S容器容積為0.719L，5B容器容積為8L，如圖1。

德國(guó)DAHER核技術(shù)公司開發(fā)DN30-X容器在ISO 7195/ANSI N14.1 30B容器基礎(chǔ)上增加了臨界控制系統(tǒng)，監(jiān)控控制系統(tǒng)中裝有中子吸收材料。每個(gè)30B-X容器可以裝填1600kg豐度為10%的六氟化鈾。針對(duì)豐度為20%的六氟化鈾，有專項(xiàng)設(shè)計(jì)方案，可以裝填1250kg六氟化鈾，如圖2。

圖2 DN30X運(yùn)輸容器臨界控制系統(tǒng)

DN30已經(jīng)取得了法國(guó)和美國(guó)頒發(fā)的證書。DAHER核技術(shù)公司在俄羅斯、美國(guó)申請(qǐng)了六氟化鈾運(yùn)輸容器專利。

我國(guó)自主研制了8L六氟化鈾容器及外包裝，可裝填高豐度濃縮鈾，8L六氟化鈾容器與5B容器相近，可以裝填24.9kg六氟化鈾。

(3)核臨界研究

美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室針對(duì)現(xiàn)有運(yùn)輸容器運(yùn)輸HALEU的臨界安全進(jìn)行了分析，在合理控制容器排布方式的情況Traveller、CHT-OP-TU、Versa-Pac、TN-B1、DN-30等不同型號(hào)的運(yùn)輸容器可以運(yùn)輸不同類型的鈾材料，如PWRFA、BWRFA、二氧化鈾粉末、二氧化鈾顆粒、六氟化鈾等。例如，DN30容器可以用于裝填豐度為12.5%的物料，但是容器排布方式應(yīng)受到嚴(yán)格限制。

(4)法律法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)

核安全法律法規(guī)是核能安全發(fā)展的基礎(chǔ)和保障，是核安全監(jiān)管工作的依據(jù)和指引。生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用需要滿足核安全法律法規(guī)要求，必要時(shí)需要建立配套的核安全法律法規(guī)。

美國(guó)、俄羅斯和我國(guó)均擁有較為完善的核安全法律法規(guī)。在美國(guó)，生產(chǎn)HALEU需要根據(jù)10CFR50取得相應(yīng)的執(zhí)照，運(yùn)輸和包裝需要滿足10CFR71的要求。美國(guó)核管會(huì)發(fā)現(xiàn)管理導(dǎo)則，提供了符合法規(guī)要求的指導(dǎo)和可行的解決辦法。

我國(guó)形成了法律、行政法規(guī)、部門規(guī)章相銜接的法規(guī)體系，HALEU在鈾濃縮環(huán)節(jié)需要滿足《民用核設(shè)施安全監(jiān)督管理?xiàng)l例》《核材料管制條例》《放射性物品運(yùn)輸安全管理?xiàng)l例》等要求，HALEU運(yùn)輸容器需要取得監(jiān)管部門的許可。

總體來看，國(guó)外正在開展研究工作突破HALEU生產(chǎn)和使用各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)。俄羅斯、美國(guó)都將離心法作為HALEU生產(chǎn)的主要技術(shù)路線，并積極研發(fā)專用的合規(guī)運(yùn)輸容器，確保生產(chǎn)、運(yùn)輸過程的核臨界安全。俄羅斯擁有快速交付不同形式HALEU產(chǎn)品的能力，美國(guó)正在培育自主HALEU生產(chǎn)能力、加強(qiáng)核燃料的自主供應(yīng)能力，巴西等國(guó)家也致力于HALEU產(chǎn)品。

2.我國(guó)鈾濃縮生產(chǎn)HALEU需要開展的重點(diǎn)工作

我國(guó)商用鈾濃縮工廠均使用氣體離心法，目前國(guó)內(nèi)商用鈾濃縮設(shè)施可以生產(chǎn)豐度在5%以下的濃縮鈾產(chǎn)品，若生產(chǎn)HALEU產(chǎn)品，在鈾濃縮環(huán)節(jié)需要開展以下重點(diǎn)工作。

（1）明確產(chǎn)品質(zhì)量要求。HALEU產(chǎn)品質(zhì)量要求是HALEU生產(chǎn)級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和容器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。有必要研究制定我國(guó)HALEU相關(guān)規(guī)劃，根據(jù)核燃料需求，確定高、中、低預(yù)期下，我國(guó)HALEU產(chǎn)品產(chǎn)量需求以及不同產(chǎn)品的關(guān)鍵控制指標(biāo)，為級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)、運(yùn)行、容器設(shè)計(jì)提供輸入。制定適用于HALEU產(chǎn)品的質(zhì)量管理體系文件，結(jié)合臨界安全和輻射安全要求，建立相應(yīng)的運(yùn)行操作規(guī)程，確保保質(zhì)保量按時(shí)供應(yīng)HALEU產(chǎn)品。

（2）HALEU生產(chǎn)級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)。在低豐度條件下，可以不考慮豐度對(duì)離心機(jī)分離性能的影響，但在高豐度條件下豐度對(duì)離心機(jī)分離性能的影響不可忽略。由于HALEU生產(chǎn)級(jí)聯(lián)涉及的豐度范圍大，級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)具有一定的特殊性，再加上HALEU產(chǎn)品的專用性，更增加了設(shè)計(jì)的難度。對(duì)于HALEU，必須通過理論研究和試驗(yàn)相結(jié)合，分析豐度對(duì)離心機(jī)分離性能的影響，開展級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)研究，主要開展級(jí)聯(lián)分離性能和流體穩(wěn)定性研究，在實(shí)現(xiàn)分離效果的同時(shí)保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）HALEU凈化級(jí)聯(lián)技術(shù)。鈾濃縮級(jí)聯(lián)對(duì)于各分離級(jí)供料輕雜質(zhì)含量要求有嚴(yán)格要求。隨著鈾-235豐度的提升，輕雜質(zhì)含量也逐漸提升，HALEU產(chǎn)品超過指定豐度時(shí)，必須考慮凈化問題?；诂F(xiàn)有技術(shù)，可以考慮在精料后增加凈化級(jí)聯(lián)?？梢钥紤]多種凈化技術(shù)，傳統(tǒng)凈化系統(tǒng)已經(jīng)在工程中投運(yùn)，探索新型凈化系統(tǒng)主要是為了降低成本、簡(jiǎn)化工藝流程。

3.未來研究方向建議

（1）建議明確HALEU產(chǎn)品質(zhì)量要求，為濃縮工程設(shè)計(jì)、制定質(zhì)量管理體系文件提供輸入。

HALEU產(chǎn)品質(zhì)量要求是濃縮工程的關(guān)鍵輸入條件之一，濃縮工程的工藝技術(shù)方案、系統(tǒng)方案、設(shè)備選型等均受到HALEU產(chǎn)品質(zhì)量要求的影響。產(chǎn)品質(zhì)量要求主要包括六氟化鈾物料純度、鈾-235豐度、氣體輕雜質(zhì)含量、金屬輕雜質(zhì)含量等。系統(tǒng)臨界安全對(duì)鈾-235豐度敏感，當(dāng)鈾-235豐度高于一定值時(shí)，需要選用指定的產(chǎn)品容器、遵守嚴(yán)格的操作規(guī)程才能保證系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行。

（2）建議根據(jù)HALEU與低濃鈾產(chǎn)品的不同點(diǎn)，開展鈾濃縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究，重點(diǎn)開展級(jí)聯(lián)計(jì)算與水力學(xué)穩(wěn)定性分析，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破和技術(shù)積累。

離心級(jí)聯(lián)長(zhǎng)度對(duì)離心級(jí)聯(lián)穩(wěn)定性有顯著影響，隨著離心級(jí)聯(lián)長(zhǎng)度的增加，系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定對(duì)系統(tǒng)參數(shù)提出更嚴(yán)格的要求。生產(chǎn)HALEU用的離心級(jí)聯(lián)長(zhǎng)度明顯長(zhǎng)于低濃鈾生產(chǎn)級(jí)聯(lián)，需要借助虛擬仿真等手段，開展級(jí)聯(lián)計(jì)算和水力學(xué)穩(wěn)定性分析，確定關(guān)鍵設(shè)備的核心參數(shù)，判斷現(xiàn)有關(guān)鍵設(shè)備是否能夠滿足要求，是否需要研制新設(shè)備。同時(shí)，也需要開展系統(tǒng)啟動(dòng)、異常處理、系統(tǒng)停機(jī)等工況模擬，制定詳細(xì)的操作規(guī)程，為系統(tǒng)正常運(yùn)行提供基礎(chǔ)保障。

（3）建議論證增加凈化級(jí)聯(lián)的可行性。利用天然鈾生產(chǎn)濃縮鈾時(shí)，隨著鈾-235產(chǎn)品豐度的增加，氣體輕雜質(zhì)和金屬輕雜質(zhì)的含量也會(huì)迅速上升。離心機(jī)運(yùn)行需要嚴(yán)格控制輕雜質(zhì)含量，當(dāng)濃縮鈾豐度達(dá)到一定水平時(shí)，需要在生產(chǎn)系統(tǒng)中增加凈化級(jí)聯(lián)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量滿足要求。需要根據(jù)產(chǎn)品豐度、雜質(zhì)等要求確定是否需要增加凈化級(jí)聯(lián)，若需要的話，選用合理技術(shù)路線、工藝流程、生產(chǎn)規(guī)模，確保凈化系統(tǒng)與生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)模匹配，可靠性和經(jīng)濟(jì)性滿足使用要求。