SRNL转化高富集铀为先进堆燃料

作为美国能源部环境管理办公室唯一支持的国家实验室，Savannah River美国国家实验室(SRNL)在核材料处理和处置技术等环境管理工作中有着深厚的历史。如今，SRNL的经验证的专业知识正被用于解决核燃料供应链障碍，为先进反应堆提供高浓度低富集度铀(HALEU)燃料来源。

溶解在溶液中的硝酸铀酰。(照片：SRNL/Tom Shehee)

SRNL于2019年进行了一项研究，评估了在Savannah River Site(SRS)的H峡谷设施中通过后处理国内外研究堆高富集度燃料生产低富集度铀(LEU)的潜力。H峡谷此前通过后处理过剩高富集度铀生产了铀-235重量百分比为4.95%的低富集度铀，使其可用于制造商业反应堆燃料。尽管时间表和产能都很有利，但当时并未签订产品合同。次年11月，美国能源部要求提交一份类似报告，估算如果使用相同设施和原料生产铀-235重量百分比为19.75%的溶液，HALEU的潜在产能。然而，2022年H峡谷分离操作的关闭使得先前回收的高富集度铀溶液成为该设施中唯一可用于生产HALEU的材料。

当SRNL正在评估材料时，美国国家核安保管理局核材料整合部门委托该实验室领导一个项目，寻求解决美国能源部综合体中多样化核材料库存带来的处置挑战。该项目最终形成了2020年的一份报告，评估了每个场址的具体美国能源部材料库存，以创建美国能源部范围内主要材料组的整体视图，这些材料被归类为具有"待确定"处置途径。这项研究还考虑了预计的未来材料量。利用设施规划估算来预测来自研究堆和其他已知处置问题来源的预期材料量。考虑这些未来材料的影响对于安全和安保目的都至关重要。SRNL团队在2023年开发了一个稳健的定量排名系统，评估了每个待确定材料组的处置选项。尽管该项目的初始目的是材料处置，但SRNL在拆包和化学处理某些材料的过程中发现了价值。

SRNL工程师Cathy Ramsey是待确定材料评估以及初始HALEU原料估算和提案的重要组成部分。"SRNL作为环境管理办公室的实验室和处置专家享有声誉，但处置并不总是意味着处置，"Ramsey说。"辐照核材料提供了后处理和回收为新材料的机会，现在是真正评估这些机会的时候了。我们需要比以往任何时候都更长远地看待核材料生命周期，这是SRNL在我们所做的一切工作中强调的。"

尽管核材料及其处置途径的识别和管理是SRNL的关键能力，但特朗普总统2025年5月关于重振核工业的行政命令将焦点放在了供应链和原料可用性上。SRNL凭借过去十年进行的广泛评估迅速确定了可用库存，并能在几天内回应潜在可生产的HALEU量的请求。处置研究迅速变成了生产研究。确定需要额外的材料来满足我们国家的需求，超出了最初回收的量。

燃料需求给SRNL留下了两个问题：

1. 如果SRS的H峡谷分离操作恢复运行，从现场可用的研究堆乏燃料中可以生产多少燃料？

2. 通过SRS和其他联邦核场址的待确定项目确定的非传统原料可以生产多少HALEU？

Savannah River Site的H峡谷设施。(照片：SRNL)

预计的HALEU需求远远超过供应，正在进行多项努力来缓解近期供应短缺。H峡谷目前正在重启使用天然铀作为混合原料从现场高富集度铀生产HALEU的能力。SRNL进行了一项研究，探讨了通过使用铀-235重量百分比为9.75%的富集材料(称为LEU+)替代天然铀，从现有高富集度铀库存生产更多HALEU的潜力。

在分析SRS可用的高富集度铀溶液时，SRNL科学家测量了某些杂质的浓度，燃料制造商已提供了这些杂质的规格。虽然用天然铀稀释降低了一些杂质水平以满足规格要求，但LEU+的概念源于对剩余高杂质水平的缓解策略。SRNL看到了通过使用LEU+而不是天然铀进行稀释来减少杂质同时生产更多HALEU的机会。与使用现有天然铀制造HALEU的基准方法相比，LEU+方法净增约3公吨HALEU。基准天然铀方法产生约4公吨HALEU，而LEU+方法产生近7公吨。

SRNL正与SRS的管理和运营承包商Savannah River Nuclear Solutions合作生产首批HALEU。如果按照当前速度继续进展，第一批HALEU将于2027年秋季交付给燃料制造商。

SRNL科学家Tom Shehee为HALEU计划进行了大部分材料表征工作。"我们将为行业注入一剂强心针，帮助他们启动，"他说。"燃料需要非常严格的规格。我们拥有的材料可以满足这些要求，并且也证明如果需要，我们可以后处理其他乏燃料来生产额外的HALEU。"

转向使用LEU+而不是天然铀方法的成本可能通过工艺优化提供更高的操作循环效率和更高的吞吐量。

SRNL在燃料循环后端方面的专业知识在建立前端必要原料方面变得极其宝贵。核材料识别和表征专业知识的悠久历史以及解决问题的创新精神将引领为核能技术建立安全未来的努力。本着环境管理的理念，SRNL不仅关注前端燃料供应需求；它还研究辐照材料的战略开发及其所包含的后处理机会，努力闭合燃料循环，使先进反应堆的实施成为我们国家的现实。

Catelyn Folkert是Savannah River美国国家实验室的环境管理沟通专家。