消除民用高浓缩铀任重道远

研发可替代燃料最早2035年才能实现

在越南，工作人员紧紧拧上一个含有高浓缩铀的桶盖，然后将其送上去往俄罗斯的飞机。 图片来源：Sandor Tozser

自1978年起，美国和其他国家一直在推动消除高浓缩铀（HEU）在全球几十座民间研究用反应堆中的使用。HEU是一类恐怖分子或某些国家可能用于制造原子弹的物质。不过，一项由美国国家科学、工程和医学院开展的最新研究表明，实现上述目标花费的时间将比官员们此前预期的长很多。仅在几年前，专家们还希望到2018年消除HEU在民间研究用反应堆中的使用。然而，报告称，这一目标最早也要到2035年才能达成。

“很明显，一些未曾预料到的挑战，无论是技术还是非技术的，导致时间表被极大地延长。”新墨西哥州桑迪亚国家实验室前副主任Julia Phillips日前在一场网络直播的新闻发布会上表示。Phillips担任了起草上述报告的委员会主席。作为2009年报告的后续，最新研究是由美国国会于2012年要求开展的。

目前，全球民间研究用HEU的储存量为60吨。这足以制造约1000颗核弹，而核不扩散专家担心，这些民用物资或许比数量高出很多的军用物资更加不安全。不过，身为应用物理学家的Phillips介绍说，过去10年间，各国在减少HEU的民间使用上取得了一些进展。自2009年起，已有28座民间研究用反应堆或者转为更加安全的低浓缩铀（LEU）燃料，或者被关停。然而，报告称，仍有74座类似反应堆正在使用或计划使用HEU燃料。

在技术方面，核专家和工程师一直试图研发针对研究用反应堆的可替代燃料。通常，研究用反应堆是规模相对较小的设备，并且关注的是材料科学、反应堆设计以及医用目的的放射性同位素的生产。此类研究一般涉及将材料暴露于来自反应堆堆芯、比更大型商用动力反应堆要更的的中子通量中。

为产生如此高的中子通量，研究用反应堆要依靠HEU。铀原子以不同的类型或同位素存在，而这取决于其原子核中的中子数。同位素铀-235在原子核中有92个质子和143个中子，并且能经受核裂变链式反应。相比之下，同位素铀-238的原子核多出3个中子，而且不能进行核裂变。铀和多于20%的铀-235形成的任何混合物均被视为高浓缩。研究用反应堆通常利用浓度接近或超过90%的铀，而这一水平被认为是武器级铀。相反，动力反应堆利用的是铀-235的浓度约为4%的铀。

研究人员想把研究用反应堆转向LEU燃料，但维持必需的中子通量要求确保燃料中含有极高密度的铀。欧洲和亚洲的研究人员正在研制一种燃料。在这种燃料中，铀钼合金的颗粒分散在铝基体内，并且随后被铝制包层围住。与之相反，美国正研发一种含有包在铝中的单个铀钼合金带状物的“整体式”燃料。原则上，密度更大的整体式燃料能被用于所有现有研究用反应堆，而分散的燃料无法做到这一点。

不过，在研发两种燃料方面取得的进展要比预期的缓慢。例如，分散式燃料的早期版本在使用时表现出膨胀的倾向，而整体式燃料带来了生产上的巨大挑战。据最新报告估测，对这两种燃料的研发或许将需要10～15年。

在非技术层面，在74座研究用反应堆中拥有32座的俄罗斯仍在使用或计划使用HEU，并且该国表示，对将它们转换为LEU不感兴趣。事实上，俄罗斯仅把一座民间研究用反应堆转换为LEU，而这也是在美国的帮助下完成的。“这并不是俄罗斯政府优先考虑的事情。”哈佛大学核不扩散专家、报告委员会成员William Tobey在新闻发布会上表示。

考虑到前景，最新报告提出了7条建议，包括尝试同俄罗斯开展更加深入的合作、就民间研究用反应堆的转换和关闭制定更加详细的计划，并且规划可替代8座美国现有民间研究用反应堆的新设施。

不过，有一条建议必定会引起最多的关注和争议。美国已将20吨浓度为93%的武器级铀指定用于民间研究用反应堆。考虑到未来还要再等15年才能研发出LEU燃料，该委员会建议立即将全部燃料稀释到45%的浓度，并且在未来几十年内，利用其为研究用反应堆提供燃料。该举措将使这些燃料的扩散威胁变小，但肯定会引发不同意见，因为美国此前曾拒绝了利用此类燃料的想法。

不过，工作组表示，将燃料浓度维持在45%的构思已得到诸如美国核管理委员会等机构的确认，因此它能在短期内被使用。委员会成员还强调，该举措仅是短期内提高核安全的应急权宜之计。“这并非在所有反应堆中使用LEU这一最终目标的代替，而是一项互补性措施。”委员会成员、威斯康星大学麦迪逊分校核工程师Paul Wilson表示。（宗华）