Nusano开发HALEU燃料线
摘要
Nusano获美国能源部和美国国家反应堆创新中心选中，将以直接金属化和单次质量分离技术建设模块化HALEU燃料生产线，绕过六氟化铀转化及传统离心浓缩流程。首套商业装置计划2031年前投运，但仍需解决核安全许可、实物安保、材料衡算和运输认证等监管难题。
总部位于犹他州（Utah）的物理技术公司Nusano已获美国能源部（DOE）和美国国家反应堆创新中心（NRIC）选中，将利用其直接金属化技术开发一条高浓度低富集度铀（HALEU）核燃料生产线，作为核能启动平台计划的一部分。由此，Nusano可利用美国能源部的审批流程、美国国家实验室的专业知识、基础设施、技术资源和项目支持，以加快先进核能技术从开发走向部署。
Nusano的平台采用专有直接金属化工艺，将铀直接转化为金属原料，从而避免生成六氟化铀气体这一传统且具有危险性的中间步骤。该工艺可改善职业安全并降低环境风险。
每套占地1,200平方英尺的紧凑型生产单元设计年产5.9吨HALEU燃料。其模块化设计允许随着能源市场需求增长逐步增设生产单元。Nusano估计，其首套商业生产单元将在2031年前全面投入运行。
HALEU的铀-235含量介于5%至20%之间，是下一代先进反应堆和小型模块化反应堆（小堆）的关键燃料来源。它可延长反应堆两次换料之间的运行时间，并使占地面积更小的反应堆输出更多功率。美国能源部预计，到2035年，美国国内HALEU需求量将达到每年50吨。
传统离心浓缩高度依赖复杂且不稳定的化学相态变化，而Nusano使用一种完全以固态金属铀运行的专有机械分离平台。在标准浓缩过程中，氧化铀（U3O8）必须通过化学方法转化为UF6气体以进行离心旋转，随后还原转化回固态，最后再经金属化制成燃料原料。
Nusano将冶金环节移至循环起始阶段，绕过三个成本高昂、受到严格监管的化学转化步骤。离心机必须以最高10万RPM的转速持续旋转，才能利用气体分子之间极其微小的质量差异。Nusano的专有技术可按质量一次性分离铀-235和铀-238同位素，预计生产成本将远低于传统离心机工艺。
传统浓缩依靠统计概率实现，即让重量略有不同的分子旋转。相比之下，Nusano将同位素分离作为一种直接物理分选过程。该技术不是输送气体，而是利用一个由先进粒子加速器和质谱物理技术改造而来的平台，操控电离固态原子流。
固态金属铀原料被转化为由带正电离子组成的蒸气流。这束运动中的铀离子穿过受到严格控制的真空环境，并暴露于强磁场和强电场中。由于铀-238原子比铀-235原子多三个中子，其质量略大。当两者穿过磁场时，质量较轻的U-235离子轨迹弯曲程度大于较重的U-238离子。物理收集槽或收集器沿弯曲路径精确布置。U-235离子直接落入收集靶，使Nusano能够通过一次处理达到低于20%的理想HALEU富集度，无需让材料循环处理数千次。
然而，部署一条全新的金属燃料技术路线需要监管变革。由于全球供应链完全围绕气态六氟化铀建立，Nusano必须应对美国核管会（NRC）方面的重大瓶颈。标准商业浓缩法规专门针对腐蚀性UF6气体和大型离心机级联的危险制定。Nusano采用本地化、加速器驱动的金属分离技术，其化学风险状况显著较低，但目前缺乏成熟的监管框架。
由于HALEU的富集度介于5%至20%之间，因此必须遵守更严格的“具有中等战略重要性的特种核材料”（II类）安保规程。相关监管路径要求针对占地1,200平方英尺的模块化布局，而非设有围栏的大型设施，制定严格的新型实物安保、材料控制和衡算规程。此外，目前能够合法运输商业规模金属HALEU燃料的认证运输容器极少。从浓缩到反应堆可用燃料制造的整个物流闭环，都必须接受NRC的独立安全验证。
这些监管障碍正是入选核能启动平台计划具有重要意义的原因。通过与NRIC和美国能源部密切合作，Nusano可利用加速推进的美国能源部审批路径。该公司还可在美国国家实验室的基础设施内对新系统进行试验和验证，在启动历时多年的NRC商业核安全许可程序前证明该技术切实可行。
Nusano由核物理学家Dr Glenn B. Rosenthal和核心脏病学家Dr. Howard Lewin于2016年创立。公司总部位于犹他州西瓦利城（West Valley City），并在那里运营一座占地19万平方英尺的先进生产设施；同时在加利福尼亚州（California）的瓦伦西亚（Valencia）设有办公室和研究实验室。Nusano是一家私营物理技术和生物技术公司，专注于先进粒子加速和同位素分离技术，用于生产镥-177（Lu-177）和锕-225（Ac-225）等稀缺治疗用同位素。这些同位素是下一代放射性配体疗法的基础，此类疗法旨在靶向并消灭特定癌细胞，同时最大限度减少对健康组织的损伤。Nusano目前正利用其单次原子质量过滤能力，为小堆浓缩金属HALEU，并开发微型核能电池产品线。
Nusano首席执行官Keith Titus表示：“入选核能启动平台计划表明，Nusano的HALEU技术和团队已准备好继续推进。审查过程考量了每个项目的技术价值、运行成熟度以及与国家战略重点的一致性。我们为能够入选而感到自豪，并感谢获得推进相关工作的机会，以支持美国实现能源自主。”