美国公司推进下一代先进核燃料技术发展

1、ANEEL的重要意义

HALEU示范计划(图源：Centrus Energy)

最近，Centrus总裁兼CEO丹尼尔·波尼曼(Daniel B.Poneman)祝贺清洁堆芯公司(Clean Core)和德克萨斯A&M公司成功制造新一代核燃料的第一批样品芯块。

这种将钍(Th)与高含量、低浓缩铀(HALEU)结合在一起的燃料，被称为浓缩生命级先进核能(ANEEL)。这批芯块的关键部件——HALEU——将由Centrus生产，对于美国来说，这一点至关重要，因为美国还没有商业供应的HALEU。

核工业一直专注于新的反应堆设计，以解决气候变化、可再生能源、用可靠的基本负荷替代品取代化石燃料等各种问题，而HALEU对这些反应堆的运行至关重要。

2、零碳能源的潜在选择

这种新反应堆和新燃料无论是对于美国还是世界，都具有重要意义。

就在昨天，美国能源部发布了一份新闻稿，介绍了其制定的一项新的计划，该计划将确保美国高含量低浓缩铀燃料的供应。

HALEU可用性计划的建立，对于先进反应堆的示范和商业部署至关重要，目前已包括两个示范项目，该项目将通过两党基础设施法获得25亿美元的资金，以帮助支持国家的气候、国家安全和创造就业目标。

参议院能源和自然资源委员会主席、美国参议员乔·曼钦(Joe Manchin)说：“我很高兴能源部正在推进这一计划，美国国内将开始供应高含量低浓缩铀。”

“长期以来，我一直支持将先进核技术商业化，将其作为零排放能源的基本负荷能源，并致力于资助《2020年能源法》授权的先进核燃料计划，以防止依赖俄罗斯或其他外国供应商为下一代核电提供燃料。”

先进的HALEU-钍ANEEL燃料尤其适用于现有和新的CANDU堆和其他加压重水反应堆(PHWR)。ANEEL可以将CANDU/PHWR中产生的废物量减少80%以上，最大限度地降低废物管理成本和安全问题，同时提供防扩散效益。

清洁堆芯公司CEO 迈胡尔·沙阿(Mehul Shah)表示：“与Centrus 能源公司合作推广我们的ANEEL先进核燃料，将有助于为需要的新兴国家带来清洁、可靠的电力。”

“我们使用钍和HALEU的创新技术为CANDU/PHWR型核电厂节约了大量成本、同时对于安全和防扩散方面也有重要意义。”

3、梦幻组合

ANEEL是Th和HALEU的梦幻组合，其U-238远低于普通燃料——低20%，而轻水堆(LWR)中使用的U-238超过94%。

HALEU本身的U-235含量在5%至20%之间。大部分燃料是Th基质，HALEU中的U-235作为裂变驱动，为持续裂变提供足够的中子。

Th-232捕获一个中子并转换成U-233，U-233也可裂变，并开始提供更多中子和更多能量。

同时，U-238捕捉到一个中子，转化成钚-239，钚-239也会裂变，几乎和它产生的速度一样快。

随着所有这些裂变的进行，ANEEL燃料的燃耗率很高，用同样数量的燃料在反应堆中提供更多的能量。

事实上，ANEEL的燃耗率超过50 GWd/t，远远超过目前CANDU/PHWR天然铀燃料的7 GWd/t，因此反应堆在其使用寿命内只需要约七分之一的燃料，在运行、燃料和废物管理成本方面实现了显著效益提升。

ANEEL燃料在其整个生命周期内都具有防扩散的设计，因为更高的燃耗率会导致Pu快速深度燃烧。这也增加了生成燃料的钚-240和钚-242的数量——核武器中不受控制连锁反应的中子毒物。因此，ANEEL乏燃料很难制成核武器。

最后，CANDU/PHWR使用天然铀也存在一个问题，因为它们反应过程中存在正冷却剂空隙反应(CVR)，影响反应堆的安全。但使用ANEEL燃料会降低CVR，从而在产生更多能量的同时提高安全性。

4、不断深入商业化进程

中国秦山三期CANDU核电厂(图源：网络)

根据世界核协会的数据，全世界在运CANDU/PHWR有48个，总发电能力为2400万千瓦。最大的反应堆群在加拿大，19个CANDU PHWR(容量近1400万千瓦)提供了该国15%的电力。

由于这些反应堆目前使用的是未浓缩的天然铀，因此它们也可能是Centrus以及清洁堆芯钍能源公司的潜在市场。

波尼曼说：“生产第一颗ANEEL试验芯块是开发这种新型先进核燃料的重要一步。随着大量PHWR反应堆已经在加拿大和其他地方运行，ANEEL可以在未来几年加速并扩大对HALEU的早期需求。”

“我们重视与清洁堆芯公司的合作关系，以支持ANEEL的商业化，并期待有机会成为其长期HALEU供应商。”

清洁堆芯公司计划在2024年底前将燃料商业化。德克萨斯A&M大学核工程和科学中心在INL的质量要求和监督下成功制造了ANEEL燃料样品。

根据今年早些时候签署的谅解备忘录，清洁堆芯公司和Centrus正与其他PHWR合作，在世界各地的CANDU反应堆中推广使用ANEEL先进核燃料。

虽然德克萨斯A&M公司正在制造的初始试验芯块使用INL(爱达荷州国家实验室)提供的少量HALEU，但清洁堆芯钍能源公司计划使用Centrus公司的HALEU进行ANEEL燃料的商业规模生产。

根据2019年与美国能源部签署的一份为期三年的合同，Centrus正在俄亥俄州皮克顿建造第一条NRC许可的HALEU生产线。

到目前为止，Centrus已经完成了每一个合同里程碑，并将继续根据合同开展工作。

关于Centrus能源公司：

Centrus能源公司是核电行业值得信赖的核燃料和服务供应商，通过其供应源的可靠性和多样性，公司致力于为其公用事业客户满足日益增长的清洁、经济、无碳电力需求。

自1998年以来，该公司为其公用事业客户提供了1750多堆年的反应堆燃料，相当于70亿吨煤。凭借世界一流的技术和工程能力，Centrus还正在推进下一代离心机技术，以便美国能够在未来恢复其国内铀浓缩能力。

关于清洁堆芯钍能源公司(Clean Core Thorium Energy)：

清洁堆芯钍能源公司是一家促进钍驱动动力的核燃料创新公司，目前正在申请专利的先进核燃料技术ANEEL由钍和高含量低浓缩铀(HALEU)组成，能够安全且经济高效地为全球核电部门的现有PHWR/CANDU反应堆供电。

ANEEL燃料是解决核能安全、废物和扩散问题的革命性解决方案。