激光技术如何为核反应堆提供燃料

（来源：麻省理工科技评论）

在美国肯塔基州小城帕迪尤卡（Paducah）郊外，数千个储存钢瓶里封存着一座已关闭铀浓缩工厂留下的废料。看似失去价值的材料中，其实仍藏着大量可以利用的铀。如今，激光技术可能帮助人们把它们重新提取出来。

全球激光浓缩公司（Global Laser Enrichment，GLE）计划利用一种名为“激光浓缩”的新技术，对这些旧材料进行再处理。

与传统铀浓缩方法相比，这项技术可能效率更高。它可以将废料中的铀重新提纯，使其铀-235 浓度恢复到与天然开采铀相当的水平。该公司还宣称，未来激光浓缩技术可以进一步生产核燃料所需的材料，包括供先进核反应堆使用的燃料。

目前，核电约占全球发电量的 9%。随着美国、中国等主要国家计划建设更多核反应堆，其中一些还将采用下一代技术，这一比例未来可能继续上升。更便宜、更灵活的核燃料供应方式，或许有助于确保这些项目如期推进。

天然铀主要由两种同位素组成：超过 99% 是铀-238，铀-235 只占约 0.7%。

铀-235 是一种易裂变同位素。当它受到低能慢中子撞击时，可以维持链式反应并释放能量，用于发电。因此，核反应堆通常需要使用铀-235 浓度高于天然铀的材料。

目前的常规核反应堆大多使用低浓铀，其中铀-235 的含量通常在 5% 左右。一些先进反应堆则计划使用浓度更高的燃料，铀-235 含量最高可达 20%。

如今，铀浓缩主要依靠离心机完成。离心机会让含铀材料高速旋转。质量较大的铀-238 会更多地向外侧移动，较轻的铀-235 则更靠近中心，从而实现两种同位素的分离。其基本原理，类似于人们挥动芥末瓶，把瓶底剩余的酱料甩出来。经过反复处理后，铀-235 含量更高的材料就可以继续加工，制成核燃料。

激光浓缩利用的则是另一种原理。在原子尺度上，所有分子都会以特定方式振动和旋转，而不同物质的运动特征各不相同。即使是同一种元素的不同同位素，也拥有各自独特的“指纹”。

激光足够精确，可以只瞄准某一种特定材料，例如含有铀-235 的分子。将激光照射到混合物中时，可以选择性地激发目标物质，为其增加少量能量。这种变化会改变目标物质的行为，使人们更容易通过化学或物理手段将其分离出来。

研究机构和企业已经探索出多种激光分离方案。有些方法会让铀-235 原子带上电荷，再利用静电场或磁场将其移出；还有一些方法则会改变目标物质参与化学反应的方式。

不过，全球激光浓缩公司采用的具体技术属于机密。公司管理层拒绝透露这一过程的工作细节。麻省理工学院核科学与工程领域首席研究科学家查尔斯·福斯伯格（Charles Forsberg）表示，人们对使用激光浓缩铀的兴趣已经持续了几十年。

但早期的激光设备维护成本高、稳定性差，操作起来也相当困难。近年来，激光技术已经取得显著进步，使激光浓缩相比早期研究阶段更具吸引力。除了技术进步，近年的地缘政治变化也为新型铀浓缩技术创造了机会。

俄罗斯拥有全球规模最大的铀浓缩产业体系，长期以来一直主导这一市场。“当俄罗斯的浓缩铀大量进入全球市场时，西方根本没有人愿意新建浓缩工厂。”福斯伯格说。但俄乌战争爆发后，美国、英国等国家陆续采取措施，限制或禁止进口俄罗斯铀产品。这为企业建设新的铀浓缩设施打开了空间，其中也包括采用新技术的项目。

随着各国试图降低对俄罗斯铀供应的依赖，核燃料需求正在上升。“供应缺口正在变得越来越大，而这项技术恰好处于缺口的正中央。”LIS 技术公司（LIS Technologies）总裁克里斯托·利本伯格（Christo Liebenberg）说。该公司也计划在美国建设激光铀浓缩设施。

LIS 技术公司成立于 2023 年，最近在田纳西州橡树岭（Oak Ridge）购入了一块面积约 200 英亩的土地。目前，公司正在就相关设施向美国核管理委员会进行前期申请。该公司的计划是以天然铀为原料，生产铀-235 浓度约为 5% 的产品。未来，它还希望制造浓度更高、可供下一代反应堆使用的核燃料材料。

全球激光浓缩公司走的是另一条路线。它并不准备一开始就将新开采的天然铀浓缩到可用于核燃料的 5% 左右，而是希望先利用这项技术，重新处理过去留下的废料。

该公司已经与美国能源部签订合同，将对帕迪尤卡铀浓缩厂旧址的废料进行再处理。这座设施最多可处理 20 万吨材料，其中含有旧浓缩工艺未能提取出来的少量铀。全球激光浓缩公司将接收铀-235 浓度至少为 0.25% 的材料，再把浓度提高到约 0.7%，也就是天然铀的水平。这些材料之后可以继续进行浓缩，并作为新开采铀矿的替代品，重新进入核燃料供应链。

“对我们来说，它就像一座规模庞大的地上铀矿。”全球激光浓缩公司政府关系与传播副总裁尼马·阿什克布西（Nima Ashkeboussi）说。

与单台离心机相比，该公司的每套激光浓缩设备结构更复杂、造价也更高，但完成相同的工作所需设备数量要少得多。全球激光浓缩公司首席执行官斯蒂芬·朗（Stephen Long）表示，一座同等规模的传统浓缩工厂可能需要数千甚至上万台离心机协同运行，而一座采用该公司激光浓缩技术的完整工厂，所需设备不会超过 1000 套。他认为，这意味着项目所需的前期投资可能更低，运营成本也有望下降。原因之一是，激光浓缩过程消耗的能源预计少于离心机。

全球激光浓缩公司在北卡罗来纳州威尔明顿（Wilmington）设有一座测试设施。 2025 年秋季，该公司完成了一次示范性试验，处理了数百公斤铀材料。此后，公司拆除了这套试验系统，目前正在北卡罗来纳州建设新的示范装置，以验证这项技术在商业规模下的运行效果。

公司还就拟建的帕迪尤卡设施，向美国核管理委员会提交了许可证申请。朗表示，最终安全评估预计将在 11 月完成，正式许可有望于 2027 年获批。按照计划，这座工厂将在 2030 年前后开始处理材料。

从长远来看，地球上的铀资源足以维持核反应堆运行数十年。但随着各国重新重视核电，核燃料供应格局又受到地缘政治变化影响，短期内仍可能出现供应缺口或价格上涨。来自废料再处理等替代渠道的铀，或许可以帮助市场缓解这些波动。

核创新联盟（Nuclear Innovation Alliance）高级研究员斯蒂芬·格林（Stephen Greene）认为，激光浓缩工厂最终可能比现有技术更加便宜。但和大多数新技术一样，在真正建成第一座设施之前，没有人能够确定它是否真的具备成本优势。

“你必须亲手建一座，才会知道答案。”

来源：麻省理工科技评论APP

编辑：子木

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