福岛核事故后，各国都在从中进行经验反馈，避免再次发生同样的问题。在全球核工业界的经验反馈中，最重要的一点就是核燃料的安全性问题。通过对核燃料各方面的研究探索，核工业界提出了各种新燃料方案，不仅为应对各种可能发生的事故赢得充裕时间，还提高了核电站的安全性，核电发展也迎来了更加光明的前景。
1、福岛核事故
▲日本福岛核电站
2011年3月11日星期五，当地时间下午2点46分，日本东北部发生大地震，震中位于距海岸130公里处，震级为里氏9.0级，持续了大约3分钟，这次地震造成650公里长海底水平移动10~20米，日本岛向东移动了几米，当地海岸线下沉了半米。 东日本大地震放发生时候，位于东京东北225公里处的福岛第一核电站并未受太大影响。但40分钟后，福岛第一核电站被15米高的海啸吞没。
海啸过后，福岛电站三个在运反应堆自动关闭，但巨浪袭击造成应急柴油发电机无法工作，冷却系统备用电源失效。因此反应堆无法冷却，核燃料芯温度不断升高，最终过热熔化，发生氢爆，对反应堆建筑造成巨大的破坏，大量的放射性物质扩散到周围的环境中。
福岛核事故发生后，为提高核电站对核事故的耐受度，全球的核工业界开始研究先进核燃料概念，研制能够抵抗冷却剂损失和其他不利事件的核燃料，从而提高核燃料安全裕度。 2、改进核燃料涂层
受福岛核事故经验反馈，美国能源部(DOE)提出了事故耐受燃料研究倡议，并制定了开发计划。该计划于2012年启动，预计是到2022年开始在商业堆中测试燃料棒。
在大多数商业堆中，燃料棒由二氧化铀燃料芯块组成，堆在锆合金长包壳管内。锆用作保护芯块的屏障，在正常运行条件下非常耐腐蚀，其中燃料棒在300℃下放置在水中(在高压力下，水不会沸腾)。
然而，如果出现温度问题，水冷却剂就会开始沸腾，包壳暴露在高温蒸汽中，在高温环境下，锆很容易与高温蒸汽发生反应，迅速转化为氧化锆，氧化锆性质非常脆，很容易开裂，因此造成燃料保护屏障失效。
核工业界在第一代耐事故燃料中的主要做法，是在包壳上涂一层涂层，以防止锆在事故期间直接暴露在高温蒸汽中。 这就是海瑟(Heuser)实验室所做的——测试传统锆基合金覆层上的铬涂层。
“改进现有包层的好处是，避免出现包层破裂。”Heuser说，“目前的设计在正常运行条件下效果良好，在上面涂一层涂料，对于反应堆来说是一个很小的变数。如果发生运行突变，覆层暴露在高温蒸汽中会很好的抵御风险。” Heuser团队在正常操作条件下和暴露在高温蒸汽下都进行了测试，铬涂层表现良好。
提供反应堆动力的核燃料包含在燃料组件中，燃料组件位于300℃高压水中，以防止沸腾。这些组件有一系列的燃料棒，其中大部分是含有二氧化铀燃料芯块的燃料棒。
▲锆合金管
通常，燃料棒由锆合金包层来保护芯块免受水影响，但如果发生事故，水会变成蒸汽，损坏包层状态。 事实上，镀铬包层已经开始出现在商业核反应堆中。 作为2012年计划的一部分，DOE与法马通(Framatome)、西屋(Westinghouse)和通用电气研究公司(GE Research)三家公司签订了事故耐受燃料的开发合同。
法马通(法国公司)和西屋(美国公司)都在开发镀铬锆合金燃料棒。 西屋公司于2019年在伊利诺伊州的拜伦(Byron)核电站和2020年在比利时的多尔(Doel)核电站安装了具有先进包壳的测试棒。
与此同时，2019年初，法马通的镀铬燃料棒装入美国佐治亚州沃格特尔(Vogtle)发电厂的反应堆。
所有三个反应堆目前都在使用这些升级后的燃料棒进行一些燃料循环，之后将对它们进行一系列检查。 3、减缓核反应 事故耐受燃料的设计目的是在事故期间减缓核反应，而不是完全阻止。
“我们的目的并不是说，好吧，这已经发生了，我们就放任不管吧，三天之内自然会好起来，”Heuser说，“这从来不是我们的目的。这完全不现实。问题是：我们可以赢得多少时间?” 她指出，研究表明，铬涂层可以在几个小时内阻止高温蒸汽与底层锆包层发生反应，这几个小时可能就是反应堆操作人员解决问题的时间。
但是，还有其他选择，例如完全改变包层材料。 碳化硅复合材料，一种更类似于陶瓷的材料，是目前正在研究的一种潜在解决方案。这些材料具有非常好的高温性能。
“碳化硅覆层可以耐受住800℃的高温。”戈达德(Goddard)说。
不过，将这些复合材料制成4米长的薄壁管是一项挑战。目前使用的是化学气相沉积技术，一批产品需要数周的时间，这个设计的主要问题还是经济可行性的方面。不过，英国的研究人员在NNL的支持下，正致力于改进这种制造技术。
与此同时，美国通用电气研究公司一直在开发两种产品：一种新的铁基合金覆层材料，被称为“铁壳”(Iron Clad)，和一种锆覆层涂层——“铠甲”(ARMOR)。
通用电气负责燃料项目的Russ Fawcett解释说，“铠甲”涂层不是铬，是一种专利产品，公司尚未披露其成分。 与其他事故耐受燃料目标一样，以上设计均想在严重事故期间为稳定电厂赢得时间。Fawcett说，研究表明，在类似于福岛核事故发生的断电情况下，通用电气的覆层产品可以拖延核反应3到6个小时。
到目前为止，他们已在通用电气研究公司和美国爱达荷国家实验室的反应堆中进行了高温蒸汽长期暴露测试，与标准锆合金包壳相比，这两种产品的耐高温蒸汽性能都有所提高。
2018年，它们还被安装在美国佐治亚州哈奇(Hatch)核电站的一个商业反应堆中，2020年，通用电气进行了池边检查，该公司表示，结果显示，原型产品工作情况良好。
目前，该公司正与美国核管理委员会(US Nuclear Regulatory Commission)合作，批准“铠甲”产品用在核电站上，而“铁壳”的开发也将继续进行。通用电气希望在2025年将“铠甲”推向市场，四到五年后是“铁壳”。 4、新燃料的研究
▲二氧化铀颗粒
通过改变包壳管内的二氧化铀颗粒，也有可能提高核燃料的事故耐受度。
在美国得克萨斯大学圣安东尼奥分校的Elizabeth Sooby Wood实验室，研究人员正在研究先进核燃料。
在耐事故核燃料方面，Sooby Wood和她的同事们正在研究导热性，即燃料如何有效地散热，从而在发生不利事故时不会达到真正的高温。
在反应堆中，所有燃料都必须高于临界温度。导热性较差的燃料加热不均匀，很容易导致燃料温度远高于临界温度。 相比之下，导热系数更高的燃料可以在反应堆中以更均匀的温度运行，从而降低燃料的整体温度。同时这也意味着，燃料在事故中需要从工作温度上升到熔点，中间也是要有一定时间的。
较冷的燃料可以带来更高的安全系数。目前，她的团队正在研究硅化铀作为传统二氧化铀的替代品。
正如向铁中添加材料来制造不锈钢一样，研究人员也在添加各种金属来制造铀硅化物合金。他们一直在添加铝和铬。在最高1600℃的熔炉中对合成的合金进行测试，并通过蒸汽模拟燃料元件和铀化合物的冷却暴露情况。 理想情况下不会发生反应：铀硅化物合金不会降解或燃烧。
迄今为止，研究人员已经在200℃到1000℃的温度下进行了蒸汽氧化试验，结果反应良好，与普通的硅化铀相比，新材料反应的开始时间延迟。
如今，Sooby Wood团队和其他人正在研究通过不同的方法来整合这些金属，以获得进一步的反应延迟。 这个阶段的工作只是基础性的研究和开发，合金化是否有效，能否改善燃料的性能还需要进一步研究。但是如果成功的话，Sooby Wood说，这些新燃料还可以提高燃料经济性，因为它们有更高的铀密度：单位体积的铀更多。
所以，对于同样的空间，可以容纳更多的裂变材料，反应堆的输出功率更高，还可以有更长的燃料循环时间。
更高的铀密度可以使用更先进的包层材料。Sooby Wood解释说，更高密度的燃料会产生更多的中子，他们正在研究的一些包层材料比锆有更高的中子俘获率，可以吸收裂变链式反应中产生的更多中子。
5、核电的未来
通用电气研究公司(GE Research)的约翰•艾伦(John Allen)表示，虽然公司将努力了解这些先进燃料的其他好处，“增加安全系数”。 他的同事，工程师埃文多利(Evan Dolley)补充说：“我们的主要目标是提高燃料的可靠性和安全性，并赢得更多处置事故的时间。这一点从来不会变。” 与此同时，Heuser认为，研究公司和核工业界已经找到了事故耐受核燃料的可行性方案。
“我认为核电的前景是光明的。我认为它需要与可再生能源一起成为平衡能源组合的一部分。”他说，“我们需要远离化石燃料，因为全球气候变化是一个需要解决的现实问题，核能可以而且应该成为解决其中的一个解决方案。”
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