美國大幅擴(kuò)大軍用氚生產(chǎn)

軍用氚是熱核武器的核心裝料，是美國目前唯一正在生產(chǎn)的軍用核材料。氚的半衰期為12.3年，每年因衰變損失5.5%，不能無限期地儲(chǔ)存或重復(fù)利用，因此必須定期對(duì)核武器進(jìn)行氚的補(bǔ)充。2018年《核態(tài)勢(shì)評(píng)估》報(bào)告提出應(yīng)在未來幾年大幅提升氚產(chǎn)量；2020年2月美國能源部發(fā)布《2021財(cái)年預(yù)算申請(qǐng)》報(bào)告，提出多項(xiàng)舉措，擴(kuò)大氚材料的生產(chǎn)，全面保障2025年實(shí)現(xiàn)每18個(gè)月生產(chǎn)2.8千克氚的產(chǎn)能目標(biāo)。

1 核電反應(yīng)堆產(chǎn)氚

氚在自然界中的含量極低，必須人工生產(chǎn)。冷戰(zhàn)時(shí)期，美國使用重水堆產(chǎn)氚，滿足核武器需求。1988年重水堆停止運(yùn)行，美國失去產(chǎn)氚能力。此后，為補(bǔ)充因衰變損失的氚，美國將從退役核武器中卸出的氚處理后重新用于核武器。但據(jù)估算，采取該措施，氚只能供應(yīng)數(shù)年，不能滿足長遠(yuǎn)需求。為此，能源部在20世紀(jì)90年代啟動(dòng)產(chǎn)氚方案研究，1998年12月宣布核電反應(yīng)堆產(chǎn)氚為首選方案，并指定使用田納西流域管理局(TVA)的瓦茨巴核電反應(yīng)堆。TVA是美國最大的國有電力公司，擁有7座核電反應(yīng)堆和29座水電站。按照創(chuàng)建之初的《田納西流域管理局法案》(1933年)，TVA負(fù)有為國防目的提供服務(wù)的義務(wù)。1999年能源部和TVA簽訂協(xié)議。根據(jù)協(xié)議，TVA提供輻照服務(wù)，能源部向TVA補(bǔ)償與產(chǎn)氚相關(guān)的所有費(fèi)用，但TVA不得盈利。從2003年至今，能源部一直利用TVA瓦茨巴核電反應(yīng)堆產(chǎn)氚。

圖1 美國核電反應(yīng)堆產(chǎn)氚流程* TPBAR為產(chǎn)氚可燃吸收劑棒； ** TVA為田納西流域管理局。

核電反應(yīng)堆產(chǎn)氚是一項(xiàng)綜合性工作，涉及靶件設(shè)計(jì)、測(cè)試、制造，反應(yīng)堆輻照，氚提取等多個(gè)環(huán)節(jié)，主要流程如下：一是“產(chǎn)氚可燃吸收劑棒”(TPBAR)的設(shè)計(jì)，由能源部西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)；二是TPBAR的測(cè)試，在能源部愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)試驗(yàn)堆進(jìn)行；三是TPBAR的制造，由西屋公司全資子公司W(wǎng)esDyne負(fù)責(zé)；四是TPBAR的輻照，在TVA核電反應(yīng)堆進(jìn)行，輻照周期為18個(gè)月，靶中的鋰-6吸收中子后生成氚；五是氚提取，即將輻照后的TPBAR運(yùn)至能源部薩凡納河工廠，經(jīng)氚提取裝置提取氚并在H區(qū)新制造裝置純化，獲得符合核武器使用要求的純凈氚。

2 啟用第二座反應(yīng)堆產(chǎn)氚

2015年，能源部對(duì)氚存量和需求進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)估，包括氚填充量和核武器庫存(規(guī)模、彈頭、類型和準(zhǔn)備狀態(tài)等)，評(píng)估發(fā)現(xiàn)為滿足今后的氚需求，需要將產(chǎn)能提高到能在18個(gè)月內(nèi)生產(chǎn)2.8千克氚。應(yīng)國會(huì)要求，核武器委員會(huì)對(duì)氚需求進(jìn)行了評(píng)估，認(rèn)為需要在2025年前完成產(chǎn)能提升，以保障長期供應(yīng)。因此，能源部逐步提高瓦茨巴1號(hào)機(jī)組的TPBAR裝載數(shù)量，到2020年春季提高至最高水平1792根。與此同時(shí)，能源部計(jì)劃在2020年秋季啟用瓦茨巴2號(hào)機(jī)組，即開始同時(shí)使用兩座反應(yīng)堆產(chǎn)氚。2019年核管會(huì)批準(zhǔn)使用瓦茨巴2號(hào)機(jī)組產(chǎn)氚的許可證修改請(qǐng)求，同1號(hào)機(jī)組一樣最多可裝載1792根TPBAR。根據(jù)能源部2021財(cái)年預(yù)算申請(qǐng)，瓦茨巴2號(hào)機(jī)組首次將裝載900根TPBAR，第二次將裝載1584根。屆時(shí)，與2020年初相比，氚產(chǎn)量將提高113%。

西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室2017年公布的數(shù)據(jù)顯示，2003至2017年瓦茨巴1號(hào)機(jī)組在9個(gè)輻照周期內(nèi)共輻照3824根TPBAR，平均每根TPBAR的氚產(chǎn)量為0.937克，共產(chǎn)氚3.584千克。根據(jù)表1所列的兩臺(tái)機(jī)組TPABR裝載數(shù)量，2003至2024年將共生產(chǎn)約14.952千克氚；到2024年年底瓦茨巴1號(hào)和2號(hào)機(jī)組在每個(gè)輻照周期能夠生產(chǎn)超過3千克氚，高于能源部的要求——18個(gè)月內(nèi)生產(chǎn)2.8千克氚。

3 氚生產(chǎn)技術(shù)與能力建設(shè)

如前所述，反應(yīng)堆輻照是氚生產(chǎn)的環(huán)節(jié)之一。為全面保障2025年前達(dá)到每18個(gè)月生產(chǎn)2.8千克氚的產(chǎn)能目標(biāo)，美國還在采取其他多項(xiàng)措施。

3.1 技術(shù)改進(jìn)

能源部在愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)試驗(yàn)堆對(duì)靶丸性能測(cè)試樣品進(jìn)行輻照后檢查，了解偏鋁酸鋰靶丸的延時(shí)釋放性能，并評(píng)價(jià)較小體積的靶丸構(gòu)造；對(duì)瓦茨巴2號(hào)機(jī)組堆芯設(shè)計(jì)和瓦茨巴1號(hào)機(jī)組安全改進(jìn)措施進(jìn)行分析；解決提升TPBAR氚產(chǎn)量面臨的技術(shù)問題；進(jìn)行氚實(shí)驗(yàn)、分析和建模，以降低氚生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 TPBAR制造

TPBAR制造涉及十幾種專業(yè)部件，TPBAR供應(yīng)商需要持續(xù)生產(chǎn)鍍層鋯合金吸氣劑和帶有特殊涂層的不銹鋼包層管；十多年前批量生產(chǎn)的鋯合金襯里和偏鋁酸鋰靶丸，如今已全部用盡，TPBAR供應(yīng)商最近重新開始生產(chǎn)。

3.3 氚的提取

輻照后的TPBAR在薩凡納河場(chǎng)址的氚提取裝置進(jìn)行提取，每次300根，持續(xù)45天。2017年連續(xù)進(jìn)行了三次提取，2018和2019年每年兩次；2020年計(jì)劃四次，并開始逐步增加提取次數(shù)，到2025年進(jìn)入每年八次的全面運(yùn)行模式。為此，需要進(jìn)行以下工作：一是培養(yǎng)和留住專業(yè)人才；二是提取氚時(shí)會(huì)產(chǎn)生放射性核素鋅-65，評(píng)估減少鋅-65產(chǎn)生的方案；三是更換老舊的安全訪問系統(tǒng)；四是改進(jìn)安全和控制系統(tǒng)。

表1 美國反應(yīng)堆產(chǎn)氚詳細(xì)情況

1.瓦茨巴1號(hào)機(jī)組1996年投運(yùn)，從第6個(gè)輻照周期開始產(chǎn)氚。

2.瓦茨巴2號(hào)機(jī)組2006年投運(yùn)，從第4個(gè)輻照周期開始產(chǎn)氚。

3.估計(jì)數(shù)據(jù)。

4.估計(jì)數(shù)據(jù)。

3.4 低濃鈾供應(yīng)

TVA核電反應(yīng)堆生產(chǎn)軍用氚，需要使用美國本土生產(chǎn)的低濃鈾。因?yàn)槭艿健恫粩U(kuò)散核武器條約》和核供應(yīng)國集團(tuán)出口轉(zhuǎn)讓準(zhǔn)則等的限制，進(jìn)口的核燃料不能用于產(chǎn)氚等軍事目的。目前美國沒有本土鈾濃縮能力，TVA核電反應(yīng)堆的庫存燃料僅夠持續(xù)到2022財(cái)年。因此，美國需要重建自主低濃鈾供應(yīng)能力。

美國自主低濃鈾計(jì)劃正在開展三項(xiàng)工作：一是稀釋國防冗余高濃鈾，保障氚生產(chǎn)所需的低濃鈾燃料供應(yīng)，當(dāng)前高濃鈾庫存可以滿足燃料需求至2041年；二是儲(chǔ)備和發(fā)展鈾濃縮專業(yè)知識(shí)和技術(shù)；三是執(zhí)行訂購流程，重建本國鈾濃縮能力。能源部正在支持森圖斯能源公司的AC100大型離心機(jī)和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的小型離心機(jī)的研發(fā)，并于2019財(cái)年啟動(dòng)小型離心機(jī)初步級(jí)聯(lián)測(cè)試；準(zhǔn)備一旦獲準(zhǔn)，著手建設(shè)鈾濃縮技術(shù)示范廠。

4 小結(jié)

全面保障熱核武器氚材料的供應(yīng)是美國政府大力推動(dòng)核力量建設(shè)的重要舉措。為了補(bǔ)充和更新核武庫，美國近年來逐漸擴(kuò)大軍用氚材料的生產(chǎn)，以支持到本世紀(jì)30年代以及未來的核威懾能力，維護(hù)美國作為世界核大國的霸主地位。能源部為了在2025年達(dá)到每18個(gè)月生產(chǎn)2.8千克氚的目標(biāo)，即將啟用第二座核電反應(yīng)堆產(chǎn)氚，并在技術(shù)改進(jìn)、TPBAR制造、氚的提取和低濃鈾燃料本土供應(yīng)等方面都取得新的進(jìn)展。