美國推進核武器氘化鋰-6熱核部件生產

美國2018年2月發布的新版《核態勢評估》報告提出“應確保目前重建美國鋰化合物生產能力的計劃能夠充分滿足軍事需求”。為落實該報告要求，能源部在2021財年預算申請報告中加大對“鋰現代化”專項計劃的經費投入，并增加新的鋰加工設施建設費用，大力保障氘化鋰-6熱核部件供應。

1 保障氘化鋰-6部件供應

鋰-6與氘合成的氘化鋰-6是氫彈必不可少的核心裝料。在氫彈爆炸中，高能中子與裝料中的鋰-6發生反應生成氚，然后氚與氘發生聚變反應，釋放出巨大能量。氚也是增強裂變彈的重要裝料，鋰-6是生產氚的關鍵原料之一。美國在核反應堆中，利用中子轟擊偏鋁酸鋰合金靶件生成氚。因此，只要核武器存在，鋰-6便是不可缺少的。

美國1963年停止生產軍用鋰-6，共生產了442.4噸。至今仍保有大量鋰-6，其中大部分處于庫存儲備狀態，少量存在于從核武器上拆卸下來的退役氘化鋰-6部件(以下簡稱“退役部件”)中。庫存鋰-6材料主要為氯化鋰-6，少量為鋰金屬，只有轉化成氘化鋰-6后才可用于制造部件；退役部件含有許多雜質，必須先經過純化，去除雜質后才可再利用。

為制造新的氘化鋰-6部件，美國2013年之前采用庫存材料和回收退役部件，2013年改為僅回收利用退役部件，2019年又恢復利用庫存材料。美國先后采取并正在研發多種工藝，對庫存材料/退役部件進行加工。

第一種是針對退役部件的鋰化學純化和轉化工藝，分為5個步驟：一是將退役鋰部件在鹽酸中溶解；二是經過蒸發結晶、電解還原等處理獲得鋰金屬；三是通過氘化反應將鋰金屬轉化成氘化鋰；四是粉碎研磨；五是加工成型，制成核武器部件。

第二種是針對庫存的鋰轉化工藝，分為4個步驟：一是對氯化鋰進行電解還原處理，生成鋰金屬；二是經過氘化反應，將鋰金屬轉化成氘化鋰；三是粉碎研磨；四是加工成型，制成核武器部件。

由于空氣處理系統中使用的干燥劑產生腐蝕性液體和氣體，上述兩種工藝2013年停用。

第三種是針對退役部件的直接材料制造工藝，即退役部件經打磨擦拭，去除表面雜質，然后粉碎研磨，再加工成型，制成核武器部件。該工藝于2012年啟用，回收利用率低，打磨擦拭過程中產生的高達50%的鋰化合物粉末無法再利用。雖然該工藝能夠滿足當前的生產要求，但美國認為無法滿足未來預期需求，為此開始重新啟用鋰轉化工藝，計劃2020財年全面恢復。

第四種是美國正在研發的新型鋰純化工藝，目標是提高安全性和純化效率。

2 開展鋰工藝技術改造

2019財年，美國設立“鋰保障”專項計劃，撥款2914萬美元，2020財年撥款2880萬美元，2021財年改名為“鋰現代化”計劃，申請3940萬美元，同比增長36.8%。經費增長的主要原因是需要加工更多的鋰材料，以支持B61-12核彈研發計劃以及電解池的全面投運。“鋰現代化”計劃為了保障武器所需的鋰材料和部件供應，實施工藝改造和技術開發，主要活動包括：

(1) 回收和保障氘化鋰材料。如前所述，美國目前利用兩種工藝生產氘化鋰材料，主要利用直接材料制造工藝。該工藝對退役部件的質量要求較高，約有15%的退役部件不適用。為保障該工藝所需的退役部件數量，美國將對更多部件進行認證。

(2) 重建將氯化鋰轉化為氘化鋰的轉化能力。美國現有大量氯化鋰和鋰金屬庫存。為了將其轉化為可用于武器部件的氘化鋰，該計劃撥款支持電解池和氫化反應器的運行和維護，在2020財年全面恢復鋰轉化工作。

(3) 撥款支持輔助設施建設，保障生產能力。“鋰現代化”計劃支持對現有設施的維修、升級改造和關鍵設備更新，維持9204-2號樓的鋰相關工作，直到新的鋰加工設施建成。

(4) 研發和部署鋰純化和生產技術，支持新的鋰加工設施。美國正在研發更加安全有效的鋰純化和生產工藝，包括四種新的鋰純化工藝、氘氣捕獲和回收工藝、鋰粉末回收工藝、新的自動鋰電解池等，以滿足近期以及新的鋰加工設施對新工藝的需求。

2020財年，美國能源部按計劃交付了鋰材料，并更新和驗證了鋰供需模型；完成了9204-2號樓的安全和維修工作；重新啟動鋰材料轉化工藝設備，例如電解池和氫化反應器；完成鋰純化和生產技術的技術準備評估報告；完成鋰均質化技術準備評估報告，達到技術成熟度5級(技術成熟度達到7級，具備工業應用條件)；完成鋰熱分解和蒸餾技術準備評估報告，達到技術成熟度5級。2021財年，美國能源部計劃繼續維持鋰材料供應，維護鋰供需模型；完善并使用新的鋰加工工藝，以替代目前的技術；繼續研發鋰轉化和純化技術，重建這兩種能力；維護和調整目前的運行設備，降低單點故障的風險。

3 新的鋰加工設施

美國目前使用Y-12場址9204-2號樓加工鋰部件。該設施始建于1943年，最初用于鈾部件生產，1954年轉用于鋰加工，上世紀80年代末至90年代初對大部分設備進行替換或升級。隨著時間推移，建筑結構和工藝設備不斷老化，特別是用于回收鋰-6的工藝產生大量腐蝕性液體和氣體，導致房屋建筑腐蝕嚴重。此外，該設施過于龐大，大幅超過使用壽命，運營成本高昂，存在許多運營問題，無法滿足當前的任務要求。

為實現未來氘化鋰-6的長期可靠供應，替代現有9204-2號樓老舊設施，2015年美國批準新建鋰加工設施的任務需求。新設施擬建在Y-12場址東側正在拆除的生物綜合設施，建筑面積約1.2萬平方米，包括鋰加工區、運輸和接收區、存儲區以及技術和管理支持區。在新設施開工之前，需要拆除舊的建筑物，修復受污染的環境。屆時，新設施將按照現在的標準進行鋰純化和加工工作，擁有更加靈活的響應能力。

2019年美國完成該設施的概念設計，原計劃2022財年開工建造，2027財年完成建設，2030財年開始運行。由于對該設施的需求有變，目前計劃2024財年開工建造，2031財年完成建設，投運時間未知。此外，建設費用也進一步增加，從2019財年估計的7.2億美元，增加到2020財年估計的9.55億～16.45億美元，主要原因是該設施建筑面積從9290平方米增加到1.2萬平方米，以及工藝設備要求細化和項目風險的進一步明確。

4 結語

自2018年開始，美國采取一系列措施，設立“鋰現代化”專項計劃、研發新的鋰加工工藝、加快新的鋰加工設施建設，大力推進核武器氘化鋰-6熱核部件生產。這是特朗普政府推進核力量建設的一項重要舉措。為確保我國核力量的長期有效性，也應確保鋰材料的長期可靠供應；加快發展先進的工藝技術，積極更新改造加工設施；保持先進、足夠的鋰生產加工能力。