高浓度低浓铀 (HALEU)

核技术论坛 2024-07-26 广东阅读原文

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目前的核反应堆主要使用铀235（U-235）含量高达5%的铀燃料。高浓度低浓缩铀（HALEU）是指铀235同位素含量为5%低于20%的铀。目前，HALEU的应用仅限于研究反应堆和医用同位素生产。然而，许多先进的动力反应堆燃料以及半数以上正在开发的小型反应堆（SMR）设计都需要使用HALEU。

HALEU尚未在商业上广泛使用。目前只有俄罗斯和中国拥有大规模生产HALEU的基础设施。美国的Centrus Energy于2023年10月开始通过示范级联产HALEU。

HALEU可利用现有的离心机技术生产，但需要特定的核燃料循环基础，并制定新的或经过的法规和许可制度。此外，采用SMR和先进反应堆所需的大量HALEU需要新的或经过的设施修改运输容器来运输。

建立生产和交付HALEU给客户的供应链需要大量资金投入。政府首先需要发挥作用，直到商业市场的需求发出足够的信号来支持私人投资。

什么是 HALEU？

HALEU的规定是铀-235同位素浓缩程度在5%以上、20%以下的铀。

宝石中发现的铀主要由两种同位素组成，即U-235和U-238。核堆反应中的能量产生来自U-235原子的“裂变”或分裂，这一过程以热量的形式释放能量。U- 235 是铀的主要裂变同位素。

天然铀含有0.7%的U-235同位素。其余99.3%主要是U-238同位素，它不会直接参与裂变过程。目前运行的大多数反应堆都是轻水反应堆（有两种类型-PWR和BWR），需要将燃料中的铀浓缩至0.7% 至 3-5% 的U-235。许多先进动力反应堆燃料都需要HALEU，约四分之三的SMR设计正在开发中。

表 1：LEU、LEU+ 和 HALEU

低浓缩铀

低浓鹽

哈勒乌

富集分析

<5％

5%-10%

5%-19.75%

19.75％

化学形式

生态

氧化物、盐、金属

金属

最终用途

第三代

第四代（包括SMR）

改革堆

对 HALEU 的需求

在核工业发展的早期阶段，铀浓缩工艺（气相扩散）耗能大、成本高。因此，出于经济原因，商业核能行业传统上采用铀-235 浓缩度高达 5% 的燃料来运行反应堆。

向离心浓缩技术过渡显著降低了生产成本，提高了高浓缩铀的经济吸引力。高浓缩铀的生产需要更多的能源，但可以延长运行周期、缩小反应堆规模，并减少放射性废物的产生。

预计未来 HALEU 的需求将会增加，原因有三：

在现有的常规轻水反应堆中使用5-10％的HALEU。
在先进反应堆和小型模块化反应堆中使用 10-20% HALEU
从 20 世纪 90 年代开始，研究反应堆正在从高浓铀 (HEU) 向 HALEU 过渡。

图 1：SMR 设计、燃料浓缩度与总功率输出

框 1：使用 HALEU 的成本效益考虑

潜在益处

增加燃料燃烧率，提高容量系数
较小的反应堆堆芯和反应堆
更长的堆芯寿命/燃料补给周期
减少废物量

潜在成本

更高的单位燃料成本（浓缩所需的能量更多）
提高燃料制造成本以减轻内部压力、包层腐蚀等。
加速压力容器腐蚀和脆化的可能性——可能限制反应堆部件的寿命
监管要求和运输标准可能更加繁重

这些考虑的平衡将根据铀和燃料循环服务的成本以及技术和监管考虑而改变。

生产 HALEU

富集

HALEU 可使用现有的离心机技术生产。HALEU 级联的进料通常为浓缩至 4.95% U-235 的铀。进料可由相邻的级联现场生产，或购买并运输到现场。生产 HALEU 所需的 SWU 中约 85% 已包含在进料中。

目前，只有俄罗斯和中国拥有大规模生产 HALEU 的基础设施。只有俄罗斯公司 Tenex 可以提供 HALEU 的商业供应。美国一家公司 Centrus Energy 于 2023 年 10 月开始运行一个试点 HALEU 级联2。

降级混合

HALEU 也可以通过稀释 HEU 来制造。美国能源部计划稀释其有限的 HEU 库存（通常以研究反应堆废燃料的形式存在），以在商业供应链建立之前提供 HALEU 的初始来源。

安全影响

核安全是每个国家的责任，但国际原子能机构提供建议和指导。国际原子能机构定义了三类核材料，为各国指定储存或处理核材料的设施以及运输过程中所需的实物保护措施提供了依据3。决定核材料所需实物安全保护措施的主要因素是该材料用于爆炸装置的可能性。

当今核反应堆中使用的铀无论数量多少都属于 III 类材料。商业核电站所需的 HALEU 数量将构成 II 类材料。此分类将对整个燃料循环产生物理安全影响，例如在浓缩厂和燃料制造设施以及运输过程中。

表2：核材料分类（来源：国际原子能机构）

材料

形式

第一类

第二类

III类c

1. 钚a，未辐照b

2公斤以上

2公斤以下、500克以上

500克以下，15克以上

2.未辐照铀-235

铀浓缩至 20% 或更高

5公斤以上

5公斤以下1公斤以上

1公斤以下，15克以上

铀-235 丰度达到 10% 但低于 20%

10公斤以上

10kg以下1kg以上

铀的丰度高于天然铀-235，但低于 10%

10公斤以上

3.未辐照铀-233

2公斤以上

2公斤以下、500克以上

500克以下，15克以上

4. 辐照燃料

贫化或天然铀、钍或低浓缩燃料（裂变物质含量低于 10%）。d、e

a. 除钚-238 中同质同位素浓度超过 80% 的钚外，所有钚
b. 未在反应堆中辐照的材料或已在反应堆中辐照的材料，其辐射水平等于或低于 1 戈瑞/小时（100 拉德/小时），距离无屏蔽 1 米。
c. 不属于第三类的数量以及天然铀、贫化铀和钍应至少按照审慎管理惯例予以保护。虽然建议采用这一保护水平，但各国可根据具体情况评估，指定不同的实物保护类别。
d. 辐照前根据其原始裂变材料含量被归类为第一类或第二类的其他燃料，如果其辐射水平超过 1 戈瑞/小时（100 拉德/小时），则可降低一个类别。

设施

在美国，核管理委员会将储存或处理 III 类数量核材料的设施定义为“低战略重要性”，而处理 II 类数量核材料的设施则被视为“中等战略重要性”。安保措施因地点而异，但核管理委员会表示，II 类设施的补充安保措施可能包括：对使用和储存的材料以及重要设备加强安全或控制，要求进行访问控制（例如背景检查）；受控访问区域 (CAA) 门户和车辆访问，护送要求，随机入口搜查和出口搜查，报警站，安全巡逻，与执法部门的沟通和协调，以及实施安全设备维护计划4。

预计建设、许可和运营此类设施所需的额外资本投资将非常巨大。

运输

正如《核材料实物保护公约》所述，广泛使用 HALEU 的安全影响延伸至运输领域。

例如，II 类材料在某些情况下需要武装警卫和护送，例如在核运输过程中的储存期间（见下文）。虽然 II 类材料在国际运输中没有问题，但预计在运输先进反应堆所需的数量时可能需要额外的安全措施。

保障措施影响

国际原子能机构传统保障措施的目的是及时发现大量核材料被转用于和平用途的情况。国际原子能机构在保障研究反应堆中的高浓度浓缩铀材料方面有经验，但还没有将其作为商业燃料的经验。

虽然国际原子能机构的安全指导（见上文）区分了不同浓缩程度的低浓缩铀，但其保障制度却没有区分。国际原子能机构对其浓缩铀保障制度采用两种类别：低浓缩铀和高浓缩铀。国际原子能机构认为低浓缩铀（铀-235 含量低于 20％的铀）是一种“间接材料”，因为它不能直接用于制造核武器。高浓缩铀（铀-235 含量为 20％或以上的铀）被视为直接使用材料。这些类别用于确定所需的检查频率和保障活动。

设施检查以核材料的定义有效量 (SQ) 和材料转化时间为依据。对于低浓缩铀，SQ 估计为 75 千克铀-235，材料转化时间为 3-12 个月。对于高浓缩铀，SQ 估计为 25 千克铀-235，材料转化时间为 1-3 个月5。

SQ=不能排除制造核爆炸装置可能性的核材料的大致数量。

材料转换时间=将不同形式的核材料转化为核爆炸装置金属部件所需的时间。

HALEU 的浓缩程度越高，将其转化为武器级 HEU 6所需的工作量就越少。实际上，这意味着：

使用 HALEU 作为原料生产武器级 HEU 所需的时间更短
与浓缩程度较低的铀相比，只需少量的 HALEU 即可获得显著数量（SQ）。
利用 HALEU 原料生产武器级 HEU 的设施可能相对较小，因此很难被发现。

因此，预计大规模部署使用 HALEU 的先进反应堆将影响国际原子能机构保障措施的实施。国际原子能机构在其现有保障框架内有很大空间调整其对 HALEU 设施的做法，如 INFCIRC/1537 7所述。例如，对于铀浓缩度超过 5% 的设施，最大例行检查工作量与设施的库存或年吞吐量以及铀的浓缩度成正比。

安全影响

临界性是处理裂变材料的设施或运输包许可的关键考虑因素。所需的安全裕度是通过以适用于获许可的设施或包的临界实验为基准的计算机分析来确定的8。

HALEU 设施或运输包将需要比浓缩至 <5% 的铀燃料循环更大的临界安全裕度，这可能会增加成本。短期内，另一个挑战是缺乏可用的临界基准数据9。

运输

商用核反应堆中使用的材料在燃料循环过程中要运输多次。运输受到监管，以保护人类和环境免受辐射影响，无论是日常运输还是发生运输事故时。基本原则是，无论材料如何运输，保护都来自包装的设计。

更具体地说，保护是通过以下方式实现的：

放射性物质的遏制。
控制外部辐射水平。
预防临界状态。
预防热损伤

随着浓缩度的提高，容器的核准有效载荷会降低，这对 HALEU 的商业运输提出了经济挑战。例如，在美国，8A 型容器设计用于运输浓缩度高达 12.5% 的 UF6，但重量限制为 255 磅。5A 型和 5B 型容器可以运输浓缩度高达 100% 的 UF6，但有效载荷限制为 54.9 磅。目前，还没有核准的容器能够经济地运输维持商业燃料循环所需的 HALEU

“先有鸡还是先有蛋”的问题

HALEU燃料循环将包括新的浓缩设施、运输解决方案以及转化和去转化设施。建立必要基础设施的主要挑战是对HALEU的长期商业需求缺乏。如果没有明确的需求信号，那么燃料循环公司就无法投入所需的资金。这种“先有鸡还是先有蛋”的问题阻碍了HALEU基础设施的建设，并有可能延迟反应先进堆和SMR的部署。

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