高纯度低浓缩铀

先进反应堆堆芯如果想要效率更高，寿命更长，就需要使用高纯度低浓缩铀 (HALEU)。HALEU含有5%-19.75%的U-235。HALEU可以用于新型燃料设计，例如铀合金燃料、陶瓷芯块燃料和液体燃料。

这些燃料可以用于先进反应堆和微堆。在运的轻水反应堆可以替换为HALEU氧化铀燃料，从而延长运行周期并提高机组经济性。

为了发挥HALEU的潜力，需要升级燃料循环基础设施，以确保安全、保障和安保问题。HALEU的制备面临着挑战，因为美国目前没有任何能够将铀浓缩超过5%的设施。

供应匮乏

美国能源部(DOE)核能办公室的核工程师Daniel Vega在美国自然科学研究院(ANS)例会中呼吁支持高纯度低浓缩铀在先进反应堆和先进轻水堆的燃料应用。

在先进反应堆开发者对HALEU感兴趣之前，其它行业已经开始关注HALEU。医用同位素生产曾经依赖于高浓铀(HEU)，但国家核安全管理局现在向美国医用同位素生产商提供HALEU。世界上越来越多的研究堆已从HEU转换为HALEU，HALEU的需求进一步增大。

HALEU不仅吸引了先进反应堆开发商，也吸引了NASA。HALEU系统可以提供地面动力和核热推进器。HALEU的需求预计将从2019年的1.532t增加到2030年的589.5t。参议院能源和自然资源委员会批准的《核能领导法》(NELA) 要求DOE在2022年底前提供10t HALEU，并在2025年底前提供50 t HALEU。

严苛的浓度

5月，DOE与Centrus Energy的子公司American CentrifugeOperating LLC签署了一份为期三年、价值1.15亿美元的合同，在俄亥俄州派克顿的美国离心机工厂开发HALEU示范生产线。该公司承诺从2022年6月开始部署16台AC-100M HALEU离心机并生产浓缩至19.75%的铀。

Vega表示，与Centrus签约是为先行者提供初始燃料的一种方式。如果成功，将进行产量拓展。大约三年后，私营企业可能会介入以扩大规模。在此期间，DOE将在研究堆乏燃料中寻找可降混的高浓铀。DOE认为可降混的HEU最大来源之一是爱达荷州国家实验室(INL)。

DOE将使用约10t HALEU 来制造陶瓷和金属燃料，以支持先进反应堆开发商和政府机构的近期研究、开发和示范需求。由于DOE不能直接出售HALEU给微堆开发者，因此微堆的HALEU应用是一个挑战。

解决方案：微对开发者根据合作协议在INL进行研究和展示的竞争。

INL提供不同成分的 HALEU，以满足各种先进反应堆设计的燃料规格和制造需求，包括但不限于不同浓缩水平的金属和氧化物形式。但HALEU不能离开INL。

限制的原因之一是最终环境评估仅涵盖在INL的使用，材料仍然是DOE的财产和责任。这么做的目的是在尽可能短的时间内将HALEU用于微堆。

高浓铀降混

指定用于微堆示范的10t HALEU中的大部分将来自实验增殖反应器 II(EBR-II)中先前经过辐照的高浓铀金属燃料。

辐照燃料被制备并放入熔盐电解精炼器中，在从裂变产物和超铀元素中回收金属铀。采用真空蒸馏法从回收的铀中去除电解精炼盐，然后将其混合成U-235含量低于20%的浓缩物。HALEU可以铸造成适合处置或再利用的形式。2018年，INL拥有3.86t HALEU。

ZIRCEX工艺

另一种可以从联邦政府拥有的燃料中生产HALEU的工艺是 ZIRCEX，锆提取的缩写。

INL目前正在使用四分之一规模的试验设施进行研发，采用海军反应堆乏燃料进行ZIRCEX工艺展示。从辐照燃料中回收HEU使用了一种液体前端工艺，该工艺可以溶解整个燃料元件，包括包壳材料。

然后在燃料制造之前，通过添加天然铀将铀混合到HALEU水平。据INL称，ZIRCEX将产生的液体废物量减少了1,000多倍。其他国家实验室也参与了ZIRCEX工艺的开发。

阿贡国家实验室正在研究溶剂萃取，太平洋西北国家实验室负责废物处理，橡树岭国家实验室负责产品固化。

三层各向同性包覆(TRISO)核燃料

在美国，目前有三个获得许可生产低浓铀燃料的第三类设施和两个可以处理高浓铀以满足研究反应堆和军事需求的第一类设施。HALEU属于第二类，还没有设施获得许可。

X-energy旨在通过许可和建造TRISO-X燃料制造设施来制造基于HALEU的碳氧化铀 (UCO) 三层各向同性包覆(TRISO)核燃料。在DOE合作协议资金的支持下，X-energy正在领导一个评估燃料设计和公用事业/运营商要求的项目，完成TRISO-X设施的初步和最终设计，并完成许可申请流程。

X-energy希望在2024年第二季度研发完成TRISO燃料年产能为5t的设备。2018年11月，Centrus和X-energy签署了一份服务合同，Centrus将为X-energy提供技术和资源，开始对TRISO-X设施进行初步设计。