美5000万美元研发超铀核燃料

美国能源部(DOE)高级能源研究计划局(ARPA-E)宣布拨款高达5000万美元，用于开发从美国乏燃料储备和其他战略材料中回收的材料制成的超铀(TRU)燃料，用于先进反应堆。

超铀燃料是使用原子序数高于铀的人造放射性元素（如镎、钚、镅等）制造的。由于美国剩余的钚库存由能源部国家核安保管理局(NNSA)掌握，它来自国防来源，部分来自Pantex工厂的核武器拆解及相关来源。利用这些材料（特别是与武器相关的钚-239）开发超铀燃料，将解决能源部如何安全处置这些材料的棘手问题。

例如，混合氧化物燃料(MOX)使用钚-239制造，钚-239是某些核武器中使用的主要裂变元素。它在商业核反应堆中作为低富集度核燃料组件燃耗的一部分产生，通常在每批燃料组件18-24个月运行周期的末期。根据世界核学会的数据，混合氧化物燃料具有以下特点：

• MOX燃料由从乏反应堆燃料中回收的钚与贫铀混合制成。

• 也可将武器级钚制成压水轻水反应堆的燃料组件。

• 混合氧化物(MOX)燃料占当今使用的新核燃料的近5%，并为法国约10%的核电机组提供燃料。

• 俄罗斯的REMIX燃料是回收钚和铀作为MOX燃料的一项创新进展，但目前尚未商业化。

通过使用超铀燃料，能源部希望大幅减少核废料（如轻水堆的乏燃料）的量，否则这些废料将保持高度放射性达数千年之久，同时从相同数量的原材料中榨取更多能量。简而言之，超铀燃料在“快堆”中产生的能量远超过在轻水堆中使用铀-235含量低于5%的商业氧化铀燃料。

ARPA-E的目标和原因

高级能源研究计划局(ARPA-E)正考虑发布一项资助机会公告(NOFO)，通过增加国内核燃料供应来加速美国的能源自主。

此潜在资助机会旨在支持开发超铀(TRU)燃料，这些燃料利用美国库存中发现的基本未被开发的国内裂变资源。超铀燃料为扩大我国核燃料供应同时减少放射性废物量提供了一条途径。经济可行的超铀燃料将加强美国的能源安全，减少对外依赖，并支持新建核电站的长期部署。此潜在计划将资助涵盖燃料设计、制造、试验、建模和鉴定，以及成本、影响和部署路径分析的协调努力。

预计在此潜在计划下开发的技术将能够实现：

• 国内超铀燃料供应链；

• 燃料平准化成本(LCOF) ≤ 1美分/千瓦时；以及

• 在七年内完成超铀燃料鉴定和监管接受。

“用于第四代反应堆的高性能优化回收核同位素”(HORNIG)计划将支持这些新燃料的设计、制造、试验和鉴定。HORNIG项目旨在设计和测试基于超铀的燃料系统，改进燃料成本和可制造性，并将鉴定时间从数十年缩短到七年以内。

运行和计划中燃烧钚燃料的快堆

目前，俄罗斯、中国和印度是已投入巨资设计和投运燃烧钚燃料先进核快堆的主要国家。美国没有。这引出一个问题：能源部对超铀材料的使用是否会仅限于生产MOX燃料，还是该机构有意最终发起一项倡议，资助在美国设计和部署用于燃烧超铀燃料的快堆。

在美国，TerraPower反应堆的设计基础是通用电气日立公司的PRISM反应堆，该反应堆在2012年向英国核退役管理局建议使用其多余的钚库存作为燃料。然而，TerraPower的Natrium反应堆（现已在怀俄明州开始建造）使用的是铀金属燃料。

2018年，美国爱达荷国家实验室选择PRISM反应堆作为场址新试验堆的设计基础。该反应堆项目包括铀-钚-锆合金燃料。这种合金燃料先前已在EBR-II反应堆中测试过。然而，“多功能试验堆”(VTR)计划于2022年被能源部终止，因国会拒绝资助其建造。来自EBR-II计划的剩余燃料预计将被Oklo用于其首个先进反应堆，该反应堆计划在爱达荷国家实验室建造。