事故耐受燃料（ATF）安全性和经济效益

ATF的部署可以提高核电站安全裕度，优化核燃料循环，减少高放废物，同时实现更高的浓缩和燃耗极限。

1、ATF发展迅猛

EnCore的ATF铅测试组件已安装在比利时的杜尔核电站4号机组中，
成为世界上第二座商业核电站，也是欧洲第一座安装了EnCore组件的核电站。

事故耐受燃料(ATF)的设计，主要是为了应对反应堆堆芯失去主动冷却时出现的问题，ATF耐受性比传统燃料设计的时间更长，并在正常运行期间保持和改善燃料和核电站的性能。

在假设的事故场景中，ATF设计提供了更具弹性的性能，并支持更高效的正常运行，包括更好地将工厂与可再生能源整合的能力。

2011年福岛第一核电站事故发生后，美国国会、美国能源部(DOE)和核工业界都认识到，加快ATF技术的研发已成为当务之急。

因此，DOE启动了一项为期10年的计划，目标是到2022年将具有增强事故容限的测试棒插入商业反应堆。

在核工业的大力支持下，在过去的18个月里，该项目已经达到了重要的里程碑，比国会制定的ATF实施目标早了四年。

这些里程碑包括2018年2月将全球核燃料公司(GNF)的IronClad和ARMOR ATF铅测试组件(LTA)插入南方核运营公司的哈奇工厂。

ARMOR LTA的装载包含分段棒，以简化未来的燃料检查活动，这是商业核电站首次部署含有ATF的芯块。

2019年3月，南方核能公司将世界上第一个采用法马通PROtec设计的全长ATF燃料棒装载到沃格特勒(Vogtle)核电站2号机组中。

拜伦核电站

今年晚些时候，西屋公司和GNF计划将其EnCore和ARMOR/IonClad ATF LTA分别插入Exelon的拜伦(Byron)核电站2号机组和克林顿(Clinton)核电站反应堆。

此外，一些国家通过OECD核能机构、国际原子能机构和欧洲原子能共同体制定了ATF计划和联合国际ATF计划。

2、设计标准

根据与Xcel Energy签订的合同，法马通将为美国蒙蒂塞洛核电站提供PROtect EATF 技术和ATRIUM 11燃料。
法马通表示，这将是PROtect计划下首次向沸水反应堆交付EATF原型棒。

为了确保这些新燃料设计，协调的广泛适用性，并为开发商和其他利益相关者提供投入，美国核工业成立了ATF工作组。

该小组由核能研究所协调，包括来自NEI、DOE、燃料供应商、电力研究所(EPRI)、核电公用事业公司和其他行业专家的代表。

此外，核管理委员会发布了《美国核管理委员会高效和有效许可事故耐受燃料项目计划》，该计划概述了其为对供应商提交的文件进行安全审查做准备的活动。

为了促进行业的广泛采用，行业制定了以下ATF设计标准：

■ 可接受的中子吸收截面，以确保足够的运行和经济性能。

■ 适用于当前轻水反应堆(LWR)机组的制造和配置的可修改性。

■ 充足的原材料供应，以满足全球LWR大军的运营需求。

■ 在正常操作条件下与当前LWR冷却剂的兼容性。

■ 满足现有设计、操作、可靠性和许可要求的能力。

3、部署计划

美国克林顿核电站

正在积极开发的ATF概念，根据其全面核心部署的预期时间表，分为近期或长期。

近期概念可以使用当前的许可结构、法规和监管指南进行许可审批。预计到本世纪20年代中期，这些近期概念在商业上是可行的，可以进行全核心部署。

长期概念仍在开发和测试中。这些设计概念可能需要制定和采用修订后的监管框架。因此，在商业反应堆全面部署之前，预计它们需要更长的时间来开发和许可。

商业反应堆运营商采用ATF最终将是一个商业决定。行业决策者的一个关键指标是ATF部署时间框架。

这些ATF概念越早部署，在电厂的剩余寿命内，其安全性和经济效益就越早实现。

理想情况下，ATF将提高工厂安全性，同时可能降低运营成本并提高工厂效率。

应该注意的是，术语“安全效益”意味着安全性的提高——比标准锆/二氧化铀基(Zr/UO2)燃料的性能增加了裕度。

先进核燃料的研究、开发、许可和部署代表着燃料供应商、运营公用事业公司、研究机构、监管机构和其他政府机构之间的大量投资和合作。

为了使任何新的燃料技术在经济上可行，都需要巨大的安全和经济效益，来证明采用和广泛实施新技术的合理性。

这些好处可能包括增加安全裕度、提高燃料可靠性、提高经济性、优化燃料循环操作策略和减少废物产生等。

在过去的一年里，美国核工业一直在积极追求ATF的概念，目标是在本世纪20年代初至中期部署燃料。

因此，EPRI对ATF技术的潜在安全性和经济效益进行了评估，包括实施更高的铀富集度和排放燃耗。

4、EPRI评估ATF价值

在过去的30年里，EPRI一直在与关键的政府、监管和商业利益相关者合作，并对具有更高可靠性、安全性、效率和性能的先进燃料进行研究。

虽然EPRI没有开发特定的ATF技术，但它正在向公共和私营利益相关者提供关键的安全、经济和运营技术分析，以支持ATF实施的战略决策。

商业反应堆业主和运营商早期采用ATF的前提，需要评估ATF的潜在效益以及相关的实施成本。

2017年，EPRI对ATF的潜在预期性能进行了初步评估。这项工作旨在评估和量化ATF提供的各种安全增强功能。

针对一些假设事故，对每个ATF概念的性能进行了评估。

对关键事故顺序进行了安全分析，并将ATF结果与使用当前Zr/UO2燃料设计计算的结果进行了比较。

带有Encore ATF铅测试棒的燃料组件(图源：西屋公司)

在这一初步评估之后，EPRI对其他事故场景进行了研究，进行了燃料循环优化评估(增加浓缩和排放燃耗)，并探索了以前没有研究过的其他优势。

这些确定了三个潜在提高经济效益的主要方向：(1)提高燃料可靠性，(2)更高效的燃料循环，可以减少产生的废物量，以及(3)更稳健的燃料性能，从而提高操作灵活性。

这些潜在的经济效益，可以大幅降低成本和/或提高工厂的运行性能。

EPRI分析是与广泛的行业利益相关者合作进行的，结果由同一个不同的小组仔细审查。

这些分析为ATF利益相关者提供了对ATF部署所带来的潜在安全和经济效益的全面和独立评估。

5、ATF发展优势

图1：堆芯融化质量的TMI-2基准结果，单位：磅(lb)

图2：堆芯局部最热温度的TMI-2基准结果，单位：°F

EPRI的初步发现包括以下内容：

■ 对于反应堆冷却长期失效事故场景，ATF在堆芯损坏时，将处理事故的时间增加了约一到两个小时。

■ 由于一些ATF概念研究，堆芯损坏进一步推迟了几个小时。在没有缓解措施的情况下，系统会因热管段故障(即热管段蠕变破裂)而减压。冷段中随后的蓄能器注入可能会导致堆芯额外冷却，从而进一步延迟堆芯损坏。这种情况适用于某些PWR电站停堆事件。

■ 根据使用EPRI的模块化事故分析程序软件，对三英里岛核电站2号机组事故的评估，ATF可能已经能够预防或至少减少该事件的堆芯损坏(见图1和图2)。

■ 根据初步概率风险评估，在没有采取额外缓解措施的情况下，ATF可以将堆芯损坏频率降低约10-15%，在采取额外缓解行动的情况下可以降低约15-20%。

EPRI的初步研究得出结论，ATF有可能通过提高运行安全裕度，同时提高燃料可靠性、优化燃料循环和减少乏燃料，从而比标准Zr/UO2燃料提供多功能性能优势。

后续在初始ATF分析的基础上进行了扩大研究工作，包括将严重事故缓解策略纳入考虑范围，进行标准安全分析，评估燃料循环优化(包括浓缩和排放燃耗增加)，以及确定以前未获得的特定电厂效益。

EPRI随后的分析得出以下结论：

■ ATF可以提供额外的应对时间，以便部署严重事故缓解设备。

■ 对于因偏离核沸腾(DNB)而受到限制的PWR流量损失事件，具有掺杂UO2和标准Zr/UO2燃料系统的涂层Zr合金覆层的分析结果实际上是相同的。然而，这些结果也表明，如果目前的DNB验收标准被基于覆层强度的失效机制所取代，那么可以实现改变电厂运行策略和增加堆芯设计灵活性的机会，以支持经济效益。

■ PWR冷却剂损失事故(LOCA)评估显示，随着涂层覆层和掺杂UO2芯块的实施，安全裕度有所提高。额外的安全裕度是通过使用具有更高导热性的球团而开发的，这会导致更低的球团操作温度。此外，由于具有减少的包壳蒸汽氧化动力学的ATF包壳概念，可以实现最大局部氧化。这些性能优势可能支持紧急堆芯冷却系统(ECCS)启动的延迟，但还需要进一步的研究来证实这种可能性。

■ LOCA评估显示，通过减少产生的氢气量和氧化物厚度，从而提高LOCA条件下覆层的延展性和弹性，涂层Zr合金覆层概念能够提高裕度。

■ 涂层Zr合金包壳概念可以支持适度的峰值因子增加，以支持PWR燃料循环优化。

■ 沸水反应堆ATF概念满足允许沸腾过渡的安全分析许可要求。ATF提高了燃料承受短时间干燥的能力，在此期间会发生沸腾转变。这将允许降低临界功率比(CPR)操作极限，反过来可用于支持降低燃料循环成本。

■ BWR ATF概念可以满足ECCS LOCA许可要求，ECCS注入流量大幅减少。

■ ATF安全裕度可以通过利用额外的CPR裕度、放宽紧急停堆要求、取消循环结束再循环泵跳闸功能和/或允许在当前许可运行限制范围内以较低的堆芯流量运行来降低运行和维护成本。

6、燃料富集和燃耗

安装在美国沃格特勒核电站2号机组的ATF(图源：Southern Nuclear)

ATF燃料可能比目前的燃料设计更昂贵。

燃料成本目前约占商业LWR总发电成本的20%。很少有其他单独的成本组成部分对核能舰队的经济性产生如此大的影响。

工厂的燃料成本取决于两个因素：燃料组件的价格(铀进料、转化、浓缩和制造)和堆芯设计的效率。

燃料组件成本由供应和需求驱动，从长远来看，不在单个公用事业的控制范围内。

堆芯设计的效率决定了满足核电站能源目标所需的核材料数量。虽然实用程序可以提高堆芯设计的效率，但这种效率最终受到堆芯设计特定约束的限制。

对当前燃料管理实践的初步研究表明，燃料循环效率的99%的变化可归因于铀浓缩和排放燃耗的变化。

许多电站目前受到对其中一个或两个参数的现有监管限制。

2018年，EPRI完成了对提高当前燃料浓缩和燃耗限值的潜在优势和挑战的分析。预计铀235的燃料富集率高达6–7%(目前的限制是5%)。

修改这些限制会影响核燃料循环的很大一部分，以及核电站运营商和燃料供应商的许可证基础和燃料循环的后端。

虽然做出这些改变有经济优势，但它们需要长期资本投资和监管改革。

7、机械设计和可靠性问题

DOE宣布，法马通公司的ATF目前正在爱达荷州国家实验室的高级试验反应堆(ATR)中进行测试。

提高燃料燃耗极限还需要解决一些燃料机械设计和可靠性方面的问题。这些包括但不限于，棒的内部压力、包层腐蚀和氢气吸收、棒和组件以及包层应变。

虽然证明满足所有这些设计标准的可接受燃料性能困难较大，但它并不是一项不可逾越的技术挑战。

燃料供应商已经开发或正在开发先进的材料或设计功能来解决这些问题。此外，新ATF设计的一些特征可以在这些领域提供额外的安全性能裕度。

然而，在假设的设计基准事故中，与燃料碎片化、重新安置和扩散(FFRD)相关的问题仍然是一个重大的研究挑战。

假设在设计基准事故(如LOCA)期间，如果高燃耗燃料棒膨胀并爆裂，则会发生FFRD。

如果芯块中存在足够的裂变气体，可能会导致芯块碎裂。颗粒碎片可能重新定位到气球体积中，并可能通过爆裂区域分散到冷却剂中。在模拟LWR条件下的一些试验反应堆中观察到了FFRD。

EPRI在DOE的支持下，与美国核管理委员会的核监管研究办公室合作，正在进行单独的效应测试，这可能会在2022年使用爱达荷州国家实验室重新启动的瞬态反应堆测试设施进行全面的综合测试。

该综合试验将在原型LWR条件下进行，该条件结合了真实的燃料温度分布、适当的线性功率密度和适用于高燃耗燃料的裂变气体分布。

该测试有望促进对FFRD的理解，以支持现有燃耗极限的潜在扩展。先前对沸水堆设计的测试结果表明，对FFRD问题的敏感性较低，并且没有计划对BWR燃料进行测试，因为FFRD的开始预计会发生在目标燃耗水平之外。

另外，为避免包壳爆裂而设计的燃料燃耗极限也在研究之中。一些国际监管机构已经使用这种方法许可工厂达到更高的燃耗水平。

提高浓缩极限的最大技术挑战与控制和分析有关，以保持燃料浓缩和制造设施以及储存和运输系统的临界安全裕度。

8、运输和存储问题

TVEL的ATF(图源：TVEL)

从浓缩设施到燃料制造商的浓缩UF6运输，可能需要开发新的30B型运输包。目前至少有一家运输包装供应商正在开发新的包装。

设计具有更高浓缩度的燃料还将包括更高浓度的固定中子吸收剂，以控制反应堆内的反应性和功率峰值。

预计这将在很大程度上抵消燃料储存和运输方面的挑战。

此外，具有更高浓缩度的燃料将运行到更高的燃耗，这也往往会抵消临界问题。

必须使用与预期燃料设计变更一致的更新假设进行新的临界性分析。通常被认为使用更高浓度的固定吸收剂策略。

然而，一些地点的设计或储存灵活性有限，将选择不用更高浓缩度的燃料设计。

虽然重新许可任何燃料系统以满足现代临界分析标准会带来监管挑战，但工业界认为，根据当前的技术和监管指南，这些挑战是可以控制的。

一些通用分析方法可能会受到燃料燃耗极限增加的影响。

其中包括事故源项和衰变热相关性。需要对该行业现有的实验数据和相关的燃料建模进行全面审查，以确定在当前限制中是否存在足够的裕度来支持更高的燃耗。

需要进行新的干式容器设计，以解决燃料临界性、衰变热以及禁区和低人口区的现场边界剂量限制问题。

干式容器系统的设计和许可基础的这些变化不会带来重大的技术挑战。对于相同的乏燃料池存储容量，更高的燃耗设计将允许更长的冷却时间。

冷却时间的增加，将部分抵消由于更高的燃耗而导致的热负荷的增加。

目前，新的容器设计符合更高的热负荷极限，有望提供应对这些更高热负荷的能力。

为了评估新的浓缩和燃耗极限的优势，对PWR和BWR系统进行了燃料管理研究。

图3：1000 MWe发电厂按组件划分的年度燃料成本节约。

这些研究的结果如图3所示。在所有情况下，浓缩费用略有增加，U3O8原料成本有所降低。

大部分节省来自制造，因为新的重新装载批次需要更少的制造组件。

这使其对未来进料或浓缩价格相对不敏感，但预计燃料制造成本将增加，以应对这些变化对燃料供应商的影响。