美國大幅擴大軍用氚生產(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%，不能無限期地儲存或重復利用，因此必須定期對核武器進行氚的補充。2018年《核態(tài)勢評估》報告提出應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財年預算申請》報告，提出多項舉措，擴大氚材料的生產(chǎn)，全面保障2025年實現(xiàn)每18個月生產(chǎn)2.8千克氚的產(chǎn)能目標。

1 核電反應堆產(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年重水堆停止運行，美國失去產(chǎn)氚能力。此后，為補充因衰變損失的氚，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，氚只能供應數(shù)年，不能滿足長遠需求。為此，能源部在20世紀90年代啟動產(chǎn)氚方案研究，1998年12月宣布核電反應堆產(chǎn)氚為首選方案，并指定使用田納西流域管理局(TVA)的瓦茨巴核電反應堆。TVA是美國最大的國有電力公司，擁有7座核電反應堆和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負有為國防目的提供服務的義務。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，能源部向TVA補償與產(chǎn)氚相關(guān)的所有費用，但TVA不得盈利。從2003年至今，能源部一直利用TVA瓦茨巴核電反應堆產(chǎn)氚。

圖1 美國核電反應堆產(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。

核電反應堆產(chǎn)氚是一項綜合性工作，涉及靶件設(shè)計、測試、制造，反應堆輻照，氚提取等多個環(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，由能源部西北太平洋國家實驗室負責；二是TPBAR的測試，在能源部愛達荷國家實驗室的先進試驗堆進行；三是TPBAR的制造，由西屋公司全資子公司W(wǎng)esDyne負責；四是TPBAR的輻照，在TVA核電反應堆進行，輻照周期為18個月，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 啟用第二座反應堆產(chǎn)氚

2015年，能源部對氚存量和需求進行了詳細的評估，包括氚填充量和核武器庫存(規(guī)模、彈頭、類型和準備狀態(tài)等)，評估發(fā)現(xiàn)為滿足今后的氚需求，需要將產(chǎn)能提高到能在18個月內(nèi)生產(chǎn)2.8千克氚。應國會要求，核武器委員會對氚需求進行了評估，認為需要在2025年前完成產(chǎn)能提升，以保障長期供應。因此，能源部逐步提高瓦茨巴1號機組的TPBAR裝載數(shù)量，到2020年春季提高至最高水平1792根。與此同時，能源部計劃在2020年秋季啟用瓦茨巴2號機組，即開始同時使用兩座反應堆產(chǎn)氚。2019年核管會批準使用瓦茨巴2號機組產(chǎn)氚的許可證修改請求，同1號機組一樣最多可裝載1792根TPBAR。根據(jù)能源部2021財年預算申請，瓦茨巴2號機組首次將裝載900根TPBAR，第二次將裝載1584根。屆時，與2020年初相比，氚產(chǎn)量將提高113%。

西北太平洋國家實驗室2017年公布的數(shù)據(jù)顯示，2003至2017年瓦茨巴1號機組在9個輻照周期內(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所列的兩臺機組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號和2號機組在每個輻照周期能夠生產(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，反應堆輻照是氚生產(chǎn)的環(huán)節(jié)之一。為全面保障2025年前達到每18個月生產(chǎn)2.8千克氚的產(chǎn)能目標，美國還在采取其他多項措施。

3.1 技術(shù)改進

能源部在愛達荷國家實驗室的先進試驗堆對靶丸性能測試樣品進行輻照后檢查，了解偏鋁酸鋰靶丸的延時釋放性能，并評價較小體積的靶丸構(gòu)造；對瓦茨巴2號機組堆芯設(shè)計和瓦茨巴1號機組安全改進措施進行分析；解決提升TPBAR氚產(chǎn)量面臨的技術(shù)問題；進行氚實驗、分析和建模，以降低氚生產(chǎn)風險。

3.2 TPBAR制造

TPBAR制造涉及十幾種專業(yè)部件，TPBAR供應商需要持續(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在薩凡納河場址的氚提取裝置進行提取，每次300根，持續(xù)45天。2017年連續(xù)進行了三次提取，2018和2019年每年兩次；2020年計劃四次，并開始逐步增加提取次數(shù)，到2025年進入每年八次的全面運行模式。為此，需要進行以下工作：一是培養(yǎng)和留住專業(yè)人才；二是提取氚時會產(chǎn)生放射性核素鋅-65，評估減少鋅-65產(chǎn)生的方案；三是更換老舊的安全訪問系統(tǒng)；四是改進安全和控制系統(tǒng)。

表1 美國反應堆產(chǎn)氚詳細情況

1.瓦茨巴1號機組1996年投運，從第6個輻照周期開始產(chǎn)氚。

2.瓦茨巴2號機組2006年投運，從第4個輻照周期開始產(chǎn)氚。

3.估計數(shù)據(jù)。

4.估計數(shù)據(jù)。

3.4 低濃鈾供應

TVA核電反應堆生產(chǎn)軍用氚，需要使用美國本土生產(chǎn)的低濃鈾。因為受到《不擴散核武器條約》和核供應國集團出口轉(zhuǎn)讓準則等的限制，進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核電反應堆的庫存燃料僅夠持續(xù)到2022財年。因此，美國需要重建自主低濃鈾供應能力。

美國自主低濃鈾計劃正在開展三項工作：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，當前高濃鈾庫存可以滿足燃料需求至2041年；二是儲備和發(fā)展鈾濃縮專業(yè)知識和技術(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大型離心機和橡樹嶺國家實驗室的小型離心機的研發(fā)，并于2019財年啟動小型離心機初步級聯(lián)測試；準備一旦獲準，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是美國政府大力推動核力量建設(shè)的重要舉措。為了補充和更新核武庫，美國近年來逐漸擴大軍用氚材料的生產(chǎn)，以支持到本世紀30年代以及未來的核威懾能力，維護美國作為世界核大國的霸主地位。能源部為了在2025年達到每18個月生產(chǎn)2.8千克氚的目標，即將啟用第二座核電反應堆產(chǎn)氚，并在技術(shù)改進、TPBAR制造、氚的提取和低濃鈾燃料本土供應等方面都取得新的進展。