美国一座核反应堆已从常规燃料转换为优质燃料，南方核能公司将四个铅测试组件 (LTA) 插入佐治亚州韦恩斯伯勒的沃格特尔 2 号机组反应堆，该反应堆含有浓缩度超过 5% 的铀 - 这是美国商业核能发电行业的首例。

核燃料是我们常常习以为常的事情之一。核反应堆需要燃料，一般的假设是，往反应堆里加铀和钚就像往锅炉里加煤一样简单——操作简单，但对于核能来说，只是稍微复杂一点而已。

我们先不谈煤炭的复杂性（它确实很复杂），只讨论核燃料。为了发生核裂变，核矿石不仅需要精炼，还需要浓缩。也就是说，必须提高铀同位素235至238的天然重量百分比。

天然铀中铀235（U₂₃₅）的含量仅为0.7%，只有极少数反应堆设计能够在一定程度上利用这一比例。问题在于，由铀238（U₂₃₈）组成的平衡部分不可裂变。也就是说，铀238原子无法正常分裂产生能量，而U₂₃₅中的原子则可以。更糟糕的是，为了使U₂₃₅能够引发链式核反应，必须有足够多、浓度足够高的U₂₃₅来维持反应。在大多数现代核反应堆中，U₂₃₅到U₂₃₈的浓度约为3%至5%，这被称为低浓缩铀（LEU）。

采用准备组装的燃料颗粒

这些都是高中物理基础知识，但你要注意的是，这种浓缩会随着不同类型的反应堆而变化，从而产生不同的结果。

例如，核潜艇使用的高浓缩铀 (HEU) 燃料，其铀浓缩度可达 20% 至 93%，即 U₂₃₅ 至 U₂₃₈。后者的浓缩度极高，简而言之，达到了武器级浓缩级别。

这样做的原因之一是，为了让反应堆能够按需输出大量电力，美国企业号航空母舰上的核反应堆在测试中将其推入水中，其强度之大，以至于常规指令从未要求其全速运转。

其他原因是，这种高浓缩燃料意味着可以建造一艘永远不需要加注燃料的潜艇。事实上，现代核潜艇无法加料，它们的设计中没有这方面的考虑。如果必须加，就意味着需要用切开潜艇才能接触到反应堆。这种燃料还意味着可以建造非常紧凑的反应堆，这些反应堆效率极高，而且比商用反应堆更不容易受到热损伤和辐射损伤。

南方核电公司与西屋电气公司合作，距离实现这一目标只有一步之遥。他们正在做的是突破极限，让传统反应堆也能享受正在建设的下一代反应堆的优势，这些反应堆使用浓缩度为5%至20%的高浓度低浓铀（HALEU）燃料。

迄今为止，HALEU 反应堆要么处于研究阶段，要么采用熔盐技术和其他先进技术，采用新颖的设计。这项商业反应堆测试是美国能源部 (DOE) 事故容错燃料计划的一部分，旨在寻找可在常规反应堆中燃烧的新型浓缩燃料，以提高性能、延长燃料寿命并减少废物。

ADOPT 弹丸是在英国斯普林菲尔德工厂制造的

这不仅仅是在混合物中添加更多铀₃₅的问题。当燃料达到高浓缩程度时，需要一种新的配方来制造燃料棒所需的铀芯块。低浓缩铀燃料本质上是铀陶瓷，而高浓缩铀燃料则是铀锆合金或铀铝合金。

它们还加入了所谓的可燃“核毒物”，即硼-10和钆-157等元素，它们可以吸收中子并抑制核反应。这使得燃料在整个使用寿命期间的能量输出保持均匀。早期，这些毒物会抑制反应，但随着时间的推移，它们会燃烧殆尽，使剩余的燃料能够以相同的速度继续燃烧。

此次试验的实验燃料由西屋公司制造。它被称为ADOPT，是一种改进的二氧化铀（UO₂）设计，掺杂了氧化铬（Cr₂O₃）和氧化铝（Al₂O₃）。这可以提高铀的密度，改善热导率，并减少裂变过程中释放的可能损坏燃料的气体。此外，ADOPT燃料与燃料棒上的金属包层的相互作用降低了包层失效的可能性。

据西屋公司介绍，一种名为LEU+ ADOPT燃料的变体可以处理高达8%的浓缩度，从而大大提高常规反应堆的性能，并减少燃料更换需求。ADOPT燃料芯块由位于英国兰开夏郡利亚的西屋斯普林菲尔德燃料有限公司生产，铀粉由爱达荷国家实验室提供。这些燃料芯块被制成四根燃料棒组件，并被插入沃格特勒2号机组核电站，在那里，它们将在多个反应堆循环中接受监测，以了解其对强辐射暴露的反应。

南方核电公司董事长、总裁兼首席执行官皮特·塞纳表示：“这一成就不仅对提升美国所有在役核电机组的弹性，也对未来核技术的发展意义重大。我们的目标是提高机组的运行时间，提高发电量，并通过使用浓缩度更高的燃料，我们将能够更好地满足佐治亚州日益增长的能源需求。”

出处：头条号 @cnBeta