新燃料给核工业发展带来新转折

Enfission公司相信，其创新的螺旋扭曲金属核燃料设计有可能提高反应堆安全性、增强抗扩散能力，并降低核电运行成本。

1、Enfission公司

当今核能行业，比以往任何时候都面临着更大的压力——不仅需要提高电站运行的有效性，还要增强公众对其安全性的信心。

而先进燃料技术是最有希望实现这些目标的项目，该项目可以降低轻水堆(LWR)运行成本，也能提高反应堆的安全性。

 Enfission公司正开发这样一种燃料：光桥燃料(Lightbridge Fuel)。我们相信这种燃料技术将迅速提高核电效益，包括：增加功率输出;更长的燃料循环和电厂寿命;减少扩散风险;提高事故反应能力。

总部位于美国的Enfission公司成立于2018年1月，它将光桥公司(Lightbridge Corporation)多年的先进燃料研发和法马通的核燃料工程与生产服务结合起来，开发创新燃料。

Enfission公司已经取得了巨大的进步，具有独特螺旋形状和金属成分的“光桥燃料”推向市场之后，可以改变公用事业的发展方向，目前，他们团队正努力在美国核电站进行首次示范开发燃料。

与任何新的燃料技术一样，通过开发和示范，对反应堆辐照、测试、先进建模和模拟计算进行广泛研究，确保反应堆的安全运行。这些开发活动还将产生鉴定和验证数据，以确保燃料系统满足客户及其监管机构的严格要求。

2、新造型与新构图

Enfission公司光桥燃料设计的独创性在于，其新颖的形状和冶金结合的金属成分，这种结合，可大幅降低燃料工作温度，改善其结构完整性，并增强其对异常事件的响应度。

光桥燃料结构(图源：网络)

燃料棒的形状不同于任何其他商用核燃料技术。这种燃料棒是扭曲的，不需要复杂的燃料组件间隔棒和混合网格，因为燃料棒是本身自然存在隔栅，并提供固定的混合冷却剂。

5 x 5 燃料组件(图源：网络)

如果没有设计隔栅，就可以降低燃料组件设计的复杂性，并消除碎屑造成燃料故障问题。没有隔栅还可以降低整个组件的冷却液压降，从而使自然循环的被动安全机制更加有效。

平放的5 x 5组件，中心元件为控制棒导管(图源：网络)

金属光桥燃料棒由三部分组成：铀锆合金燃料芯、耐腐蚀锆合金屏障和中央置换剂。这些部件在燃料制造过程中通过冶金结合形成复合固体金属燃料棒。

金属核燃料自核能发展初期就已成功使用，包括EBR-II和世界上许多研究堆。光桥燃料使用富锆合金，设计用于商用LWR。

金属棒的独特形状和高导热性特点，使燃料能够在明显较低温度下运行。 现代电厂中的常规燃料在1500℃以上环境温度下运行，这比光桥燃料的峰值运行温度高出近1000℃。

温度降低是由于燃料的传热能力提高。它具有更大的冷却剂作用面积，产生热量的燃料棒与水之间的距离更小，冷却剂混合更好，燃料导热系数因此更高。

初步计算表明，这些热特性极大提高了燃料从非正常状态恢复的能力，我们预计，在设计基准事件期间，它将超过当前燃料的安全性能。

3、在现有和新反应堆设计中使用

光桥燃料的设计应与当下新商业堆设计的堆芯内构件和电厂操作程序相兼容，包括一些小型模块堆(SMR)，使整个市场现有的新核设施能够灵活满足核电厂需求。

该种燃料能够使电厂增加燃料循环长度和功率输出，并且在不受当前燃料限制的情况下，提供经济负荷跟踪能力——这是全球提高可再生能源发电能力的一大优势。 与传统燃料相比，光桥燃料的线性功率密度更高，同时保持冷燃料的工作温度。

这种燃料与高燃耗能力相结合，可以延长循环时间，使核电厂能够在更长的时间内产生更多的电力。这种燃料可以使传统的四回路压水堆(PWR)在运行24个月的燃料循环时，将功率输出提高到4000MWt，这是一个显著的经济改进。

为充分利用光桥燃料而设计的新型反应堆，可以实现更高的功率输出。发电量和周期长度的增加意味着核电厂收益的增长。

这项创新技术的另一个特点：能将放射性限制在燃料棒内。金属燃料的低工作温度和复合结构是控制裂变产物释放的天然屏障。由于燃料在平均温度低于400℃的环境下运行，裂变产物扩散显著减少，裂变气体被困在燃料基质中。

燃料包是放射性释放的第二道屏障。再加上冶金燃料包壳结合(没有燃料包壳间隙和增压室)，没有将气体裂变产物快速释放到反应堆冷却剂的机制。

反应堆负荷跟踪部分是根据冶金结合而启用的。它在燃料棒组件之间设计了一个结构链接，因此包壳不再是燃料棒的唯一结构元素，这降低了燃料包壳机械相互作用的影响。

与传统燃料设计相比，这种燃料能够更有效地承受反应堆功率的周期性变化(例如，由于反应堆启动和关闭)，并实现更快、更频繁的功率斜坡。

4、综合实力

数十年来，Enfission公司的合作伙伴光桥公司和法马通一直在开发新技术，以提高核电的安全性和性能。

Enfission公司的光桥燃料开发利用了近十年的设计工程、测试和改进，这些都源自光桥公司的钍基“种子-包层”燃料研发计划。 由于该技术的种子组件需要高功率密度、高燃耗燃料，因此光桥公司发明了光桥燃料棒。

光桥公司于2010年宣布了新的燃料产品，以满足市场的需求——能够提高反应堆安全性和经济性能的燃料系统。 多年来，燃料系统的设计在不断前进，同时，在光桥核电站燃料咨询委员会反馈的基础上不断发展，该委员会在美国50%以上的核电站都有代表。

LWR的早期燃料系统设计与钍基种子-包层技术有相似之处，在燃料组件的中心使用扭曲的金属燃料棒，周围有一排氧化物燃料棒。 根据光桥工业咨询小组的反馈意见，设计方移除了外层的常规燃料棒，以消除氧化物燃料对新技术的操作限制。目前的燃料系统设计仅包括金属燃料棒。

为了使设计更接近于一个准备部署在美国反应堆中的产品，Enfission公司将光桥设计概念与法马通的燃料设计师网络和最先进的工具相结合。

法马通设计核电站和核燃料已有60年的历史，在法国、德国和美国拥有全球专业技术网络和燃料制造设施。在全球，大约有225000个法马通燃料组件装载100多个反应堆中。

法马通ATRIUM 11燃料组件截面图(图源：网络)

法马通的最新产品包括用于BWR(沸水堆)的ATRIUM 11燃料和用于PWR的GAIA燃料，与以前的设计相比，它们提供了更好的性能和灵活性。

5、未来之路

Enfission合资公司于2016年3月宣布成立。自那时以来，公司的燃料开发取得了稳步进展，同时建立了公司治理和项目管理结构。

如今，Enfission公司拥有60多名工程师开发燃料及其先进制造工艺，也正在寻找更多的员工，与全世界分享创新的激情，并致力于质量和安全。

作为燃料示范计划的一部分，Enfission公司计划最快在2021年将光桥燃料的铅测试棒装入美国压水堆，铅测试组件计划在2024年开始。该公司预计将宣布与美国公用事业公司达成协议，很快开始该测试。

NRC(美国核管理委员会)的许可准备工作也正在进行中。虽然Enfission最终完成了金属燃料的商业设计，但它还将开发公用事业公司可与NRC一起使用的许可支持包。

了解当前NRC标准审查计划后，Enfission针对常规核燃料进行了优化，广泛听取监管机构关于确认光桥燃料安全运行的适当方法的建议。 Enfission的监管参与计划确定了工作计划，在此计划中，尽早并经常与NRC和核法规专家进行沟通，以确定正确的标准，最终符合NRC的安全标准。

6、大挑战

各项清洁能源二氧化碳排放情况，光桥燃料平准化度电成本最低(图源：网络)

如光桥燃料的先进核燃料技术，将改变核电行业理念。

几十年来，LWR成为主要的商业堆型。Enfission公司正在将先进燃料提升到一个新的水平，开发创新技术，并与供应商和各种合作伙伴合作贡献一份力量。这项十分巨大的事业，也需要全行业的努力。

在高度监管的行业中成功部署此类创新技术，不仅需要市场需求，也要有政府支持。世界各地的电力公司和政府，必须充分变达他们的要求，并对先进技术表示支持。