INL推动HALEU燃料供应链建设
摘要
Idaho美国国家实验室通过回收实验增殖反应堆-Ⅱ乏燃料和利用铀废料，为先进反应堆提供HALEU燃料支持。该实验室处理EBR-Ⅱ乏燃料可生产近10吨HALEU，其中一半分配给Oklo公司。同时开展材料提纯工艺，扩大应用范围。这些举措旨在满足核能行业近期和中期需求，为商业化HALEU供应链建立提供过渡支持。
Idaho美国国家实验室正在发挥关键作用，协助美国能源部通过回收联邦库存中的HALEU来满足近期需求，为未来商业化HALEU供应链奠定基础提供关键支持。INL还支持协调更广泛的能源部工作，从South Carolina州Savannah River Site的材料回收到商业化富集计划。
INL通过向有近期研究需求的公司提供少量HALEU，并将实验增殖反应堆-Ⅱ的乏燃料转化为大量可用的HALEU供同类首创先进反应堆使用，来应对这一挑战。这项工作旨在满足国家近期和中期的HALEU需求，同时长期商业化HALEU供应链正在建立中。
"我们正专注于短期和中期目标，努力满足核能行业的即时需求，"INL燃料循环科学与技术部主任Josh Jarrell表示。
在核能行业确定需要快速开发可持续HALEU供应后不久，INL开始为小型研究活动提供HALEU，例如收集新型HALEU燃料类型的性能数据。
虽然从EBR-Ⅱ乏燃料中回收铀的工作已持续多年，但该活动已加速进行，以确保HALEU可供先进反应堆公司使用，满足其预期进度。
由EBR-Ⅱ乏核燃料降级转化得到的HALEU reguli。金属托盘上的数字对应于用于形成reguli的石墨坩埚中的编号位置。（照片：INL）
INL研究人员通过将金属溶解在酸中、通过溶剂萃取纯化、沉淀并将纯化的HALEU转化为固体形式来处理HALEU reguli。从左到右分别是固体UO4、UO3和U3O8。（照片：INL）
虽然现有的美国核电站使用铀-235富集度高达5%的氧化铀燃料，但HALEU的富集度在5%至20%之间。HALEU对于众多先进反应堆设计至关重要——包括快堆、熔盐堆和微堆——并且是TRISO燃料的关键组成部分。它还可以显著提高当前反应堆的性能。
有两种获取HALEU的方法：将铀富集到所需水平，或从可能已从乏燃料中回收的现有库存中降级转化高富集度铀。
在对HALEU生产能力进行资本密集型投资之前，潜在供应商需要确信其产品将有可靠的市场。近期，反应堆开发商需要HALEU用于研究、燃料鉴定和示范反应堆的首炉燃料。长期来看，先进反应堆的部署需要更大规模且持续的HALEU供应来满足商业化行业需求。
"国内HALEU供应对于先进反应堆的部署至关重要，"INL核科学技术理事会副主任Jess Gehin表示。"随着从俄罗斯进口不再可行以支持先进反应堆的首炉燃料，紧迫性增加了。"
虽然INL通过其回收和再利用工作启动HALEU供应链发挥着关键作用，但包括American Centrifuge Operating、General Matter、Louisiana Energy Services和Orano Federal Services在内的几家公司正在准备商业化HALEU生产。
包含数十个独立TRISO颗粒的12毫米燃料压块截面。（照片：INL）
近年来，INL通过重新利用各种遗留计划的剩余材料，为研发用途提供HALEU。这项工作涉及识别和处理合适的HEU废料，将其转化为适当的燃料形式，用于进一步的辐照试验、表征和数据收集。
2023年，INL促成了将约6公斤HALEU转移给BWX Technologies，用于该公司BWXT先进核反应堆项目的TRISO燃料开发。
最近，Southern Nuclear将铀-235富集度高达6%的核燃料（高于通常的3-5%富集度）装入Vogtle-2进行辐照试验。该燃料是作为能源部事故耐受燃料计划的一部分开发的。这些颗粒还包括预计能增强安全性能的添加剂，源自INL首先制备的氧化铀粉末。
除了直接为研究需求提供少量HALEU外，INL正在识别铀废料的剩余库存，以便将其转化为可用的HALEU。
"这个由美国国家核安保管理局领导的废料回收计划，INL参与其中，支持像西屋电气这样的公司为其eVinci微堆提供必要材料以继续其项目，"负责INL HALEU废料回收工作的Corey Shannon表示。"目前有超过80公斤的遗留制造废料和其他铀形式正在稳定化、表征、重新包装并运出进行进一步处理。"
除了可能提供数百公斤HALEU的废料回收工作外，INL将通过EBR-Ⅱ乏燃料回收工作，为反应堆开发商提供数千公斤的HALEU，该工作由能源部核能办公室资助。
EBR-Ⅱ于1964年至1994年在Argonne美国国家实验室西部（现为INL的一部分）运行，并使用高富集度核燃料。作为反应堆停用和钠结合乏燃料库存管理的一部分，辐照元件一直在进行中和反应性钠的处理过程。该过程使得能够将铀与钠和裂变产物分离，促进铀的回收。
"当EBR-Ⅱ关闭时，有3公吨含有HEU的乏燃料，这些燃料很有价值，因为它可以被回收并稀释到HALEU水平，"INL材料和燃料综合设施乏燃料处理和处置项目经理Mike Patterson表示。
回收的HEU与低富集度铀混合（称为降级转化的过程）以制造HALEU。用这种方法处理EBR-Ⅱ乏燃料元件可产生满足某些先进反应堆开发商设计需求的高质量HALEU。