美国大幅扩大军用氚生产

军用氚是热核武器的核心装料，是美国目前唯一正在生产的军用核材料。氚的半衰期为12.3年，每年因衰变损失5.5%，不能无限期地储存或重复利用，因此必须定期对核武器进行氚的补充。2018年《核态势评估》报告提出应在未来几年大幅提升氚产量；2020年2月美国能源部发布《2021财年预算申请》报告，提出多项举措，扩大氚材料的生产，全面保障2025年实现每18个月生产2.8千克氚的产能目标。

1 核电反应堆产氚

氚在自然界中的含量极低，必须人工生产。冷战时期，美国使用重水堆产氚，满足核武器需求。1988年重水堆停止运行，美国失去产氚能力。此后，为补充因衰变损失的氚，美国将从退役核武器中卸出的氚处理后重新用于核武器。但据估算，采取该措施，氚只能供应数年，不能满足长远需求。为此，能源部在20世纪90年代启动产氚方案研究，1998年12月宣布核电反应堆产氚为首选方案，并指定使用田纳西流域管理局(TVA)的瓦茨巴核电反应堆。TVA是美国最大的国有电力公司，拥有7座核电反应堆和29座水电站。按照创建之初的《田纳西流域管理局法案》(1933年)，TVA负有为国防目的提供服务的义务。1999年能源部和TVA签订协议。根据协议，TVA提供辐照服务，能源部向TVA补偿与产氚相关的所有费用，但TVA不得盈利。从2003年至今，能源部一直利用TVA瓦茨巴核电反应堆产氚。

图1 美国核电反应堆产氚流程* TPBAR为产氚可燃吸收剂棒； ** TVA为田纳西流域管理局。

核电反应堆产氚是一项综合性工作，涉及靶件设计、测试、制造，反应堆辐照，氚提取等多个环节，主要流程如下：一是“产氚可燃吸收剂棒”(TPBAR)的设计，由能源部西北太平洋国家实验室负责；二是TPBAR的测试，在能源部爱达荷国家实验室的先进试验堆进行；三是TPBAR的制造，由西屋公司全资子公司WesDyne负责；四是TPBAR的辐照，在TVA核电反应堆进行，辐照周期为18个月，靶中的锂-6吸收中子后生成氚；五是氚提取，即将辐照后的TPBAR运至能源部萨凡纳河工厂，经氚提取装置提取氚并在H区新制造装置纯化，获得符合核武器使用要求的纯净氚。

2 启用第二座反应堆产氚

2015年，能源部对氚存量和需求进行了详细的评估，包括氚填充量和核武器库存(规模、弹头、类型和准备状态等)，评估发现为满足今后的氚需求，需要将产能提高到能在18个月内生产2.8千克氚。应国会要求，核武器委员会对氚需求进行了评估，认为需要在2025年前完成产能提升，以保障长期供应。因此，能源部逐步提高瓦茨巴1号机组的TPBAR装载数量，到2020年春季提高至最高水平1792根。与此同时，能源部计划在2020年秋季启用瓦茨巴2号机组，即开始同时使用两座反应堆产氚。2019年核管会批准使用瓦茨巴2号机组产氚的许可证修改请求，同1号机组一样最多可装载1792根TPBAR。根据能源部2021财年预算申请，瓦茨巴2号机组首次将装载900根TPBAR，第二次将装载1584根。届时，与2020年初相比，氚产量将提高113%。

西北太平洋国家实验室2017年公布的数据显示，2003至2017年瓦茨巴1号机组在9个辐照周期内共辐照3824根TPBAR，平均每根TPBAR的氚产量为0.937克，共产氚3.584千克。根据表1所列的两台机组TPABR装载数量，2003至2024年将共生产约14.952千克氚；到2024年年底瓦茨巴1号和2号机组在每个辐照周期能够生产超过3千克氚，高于能源部的要求——18个月内生产2.8千克氚。

3 氚生产技术与能力建设

如前所述，反应堆辐照是氚生产的环节之一。为全面保障2025年前达到每18个月生产2.8千克氚的产能目标，美国还在采取其他多项措施。

3.1 技术改进

能源部在爱达荷国家实验室的先进试验堆对靶丸性能测试样品进行辐照后检查，了解偏铝酸锂靶丸的延时释放性能，并评价较小体积的靶丸构造；对瓦茨巴2号机组堆芯设计和瓦茨巴1号机组安全改进措施进行分析；解决提升TPBAR氚产量面临的技术问题；进行氚实验、分析和建模，以降低氚生产风险。

3.2 TPBAR制造

TPBAR制造涉及十几种专业部件，TPBAR供应商需要持续生产镀层锆合金吸气剂和带有特殊涂层的不锈钢包层管；十多年前批量生产的锆合金衬里和偏铝酸锂靶丸，如今已全部用尽，TPBAR供应商最近重新开始生产。

3.3 氚的提取

辐照后的TPBAR在萨凡纳河场址的氚提取装置进行提取，每次300根，持续45天。2017年连续进行了三次提取，2018和2019年每年两次；2020年计划四次，并开始逐步增加提取次数，到2025年进入每年八次的全面运行模式。为此，需要进行以下工作：一是培养和留住专业人才；二是提取氚时会产生放射性核素锌-65，评估减少锌-65产生的方案；三是更换老旧的安全访问系统；四是改进安全和控制系统。

表1 美国反应堆产氚详细情况

1.瓦茨巴1号机组1996年投运，从第6个辐照周期开始产氚。

2.瓦茨巴2号机组2006年投运，从第4个辐照周期开始产氚。

3.估计数据。

4.估计数据。

3.4 低浓铀供应

TVA核电反应堆生产军用氚，需要使用美国本土生产的低浓铀。因为受到《不扩散核武器条约》和核供应国集团出口转让准则等的限制，进口的核燃料不能用于产氚等军事目的。目前美国没有本土铀浓缩能力，TVA核电反应堆的库存燃料仅够持续到2022财年。因此，美国需要重建自主低浓铀供应能力。

美国自主低浓铀计划正在开展三项工作：一是稀释国防冗余高浓铀，保障氚生产所需的低浓铀燃料供应，当前高浓铀库存可以满足燃料需求至2041年；二是储备和发展铀浓缩专业知识和技术；三是执行订购流程，重建本国铀浓缩能力。能源部正在支持森图斯能源公司的AC100大型离心机和橡树岭国家实验室的小型离心机的研发，并于2019财年启动小型离心机初步级联测试；准备一旦获准，着手建设铀浓缩技术示范厂。

4 小结

全面保障热核武器氚材料的供应是美国政府大力推动核力量建设的重要举措。为了补充和更新核武库，美国近年来逐渐扩大军用氚材料的生产，以支持到本世纪30年代以及未来的核威慑能力，维护美国作为世界核大国的霸主地位。能源部为了在2025年达到每18个月生产2.8千克氚的目标，即将启用第二座核电反应堆产氚，并在技术改进、TPBAR制造、氚的提取和低浓铀燃料本土供应等方面都取得新的进展。