轻水反应堆和小型模块化反应堆中先进核燃料的优势

如今核电站使用的核燃料自半个多世纪前首次部署以来几乎没有变化。自核电行业诞生以来，水冷反应堆的燃料设计一直基于陶瓷氧化铀 (UO2) 燃料芯块，铀 235 浓缩度低于 5%，并装在锆合金包壳管中。

虽然这种基本燃料设计已不断得到改进，现代商用核燃料的性能也优于原始燃料，但现代燃料仍由相同的基本设计元素组成，即锆合金包壳管中包含的 UO2 燃料芯块。这种燃料设计的性能可能会继续不断改进，但商用核燃料性能的深远进步可能需要根本性的改变。

相反，Lightbridge 的先进金属燃料棒设计正在开发用于现有的水冷反应堆和水冷 SMR，与现有燃料有着根本的不同，并提供了一系列同时发生的阶跃改进。

Lightbridge 金属燃料棒为多叶螺旋扭曲结构，由金属铀锆合金燃料芯(共挤压并与锆合金包层冶金结合)和可与可燃毒物合金化的中心锆合金置换器组成。

燃料芯是一种合金，按重量计算，铀和锆的含量约为 50% 和 50%。燃料合金的铀成分可浓缩至 19.75% 的 U-235。浓缩度在 5% 以上和 20% 以下的被称为高纯度低浓缩铀或 HALEU。包层由锆合金组成，这是传统核燃料的标准材料。螺旋扭曲设计使燃料组件中的燃料棒可以自行间隔，无需使用间隔格栅。

新型燃料的优势

由于其设计特点，与锆合金包壳管中 UO2 颗粒组成的传统圆柱形燃料棒相比，金属燃料在几个关键领域具有固有的优越技术性能：

燃料温度更低：Lightbridge 金属燃料的热导率明显高于陶瓷 UO2 燃料，而且由于 Lightbridge 包层与燃料以冶金方式结合，因此不存在传统燃料棒中的燃料包层气隙。这使得 Lightbridge 燃料可以在较低的燃料温度下运行，从而提高安全裕度，并在正常、非正常和事故情况下提高性能。

增强冷却：Lightbridge 燃料棒采用多叶螺旋扭曲设计，与圆柱形燃料棒相比，传热面积显著增加，冷却剂混合效果显著改善。由于 Lightbridge 燃料棒是自间隔的，不需要间隔格栅，因此它们可以适应更高的冷却剂流速，同时降低整个堆芯的压降。使用低压降 Lightbridge 燃料对使用自然循环和被动安全系统的 SMR 具有显著优势。

HALEU 的使用：Lightbridge Fuel 使用 HALEU，其中包含足够的可裂变材料来实现功率提升、循环长度延长，并达到轻水反应堆的高燃耗，达到目前商业燃料极限外 50% 或更多的燃耗。

包层机械完整性：Lightbridge Fuel 采用标准锆合金包层材料。然而，与传统的管内颗粒燃料棒不同，包层与燃料冶金结合，主要用作裂变产物释放的屏障，而不是燃料棒的主要结构部件。因此，Lightbridge 包层不会像传统燃料棒那样承受相同的机械应力，从而使燃料棒在高燃耗下保持其机械完整性(结构完整性和作为裂变产物屏障的完整性)。此外，由于包层与燃料冶金结合，因此包层的任何破裂都只会导致少量局部燃料暴露于冷却剂，从而减少包层破裂的后果。

燃料的机械完整性：在水冷反应堆条件下，燃料表现出低膨胀和出色的裂变产物保留率，确保铀锆燃料合金保持其机械完整性，并确保燃料对包壳施加的应力较低。共挤金属燃料和包壳构成了坚固的燃料棒设计，可承受功率瞬变、流动引起的振动、地震事件等其他机械负载。

抗扩散性：新鲜的 Lightbridge 金属燃料中 U-238 的含量显著减少，有助于提高抗扩散性，因为在辐照过程中产生的钚数量要少得多，而且它处于抗扩散同位素混合物中。

减少废物量：由于 Lightbridge Fuel 可以实现较高的寿命终燃效率，运行水冷反应堆(包括提高功率和延长循环长度)所需的燃料吞吐量显著减少，从而减少废物量。

这些燃料设计固有的优势使其能够在较低的燃料工作温度下以更高的功率运行更长时间，同时提高安全裕度，同时产生的废物更少，比现有燃料更耐扩散。坚固的机械设计使其天生更适合承受功率调整，提供增强的运营灵活性，并使大型工厂和 SMR 都能进行负荷跟踪。

燃料开发

该燃料设计是成熟燃料技术的改进版，该技术采用了铀锆燃料合金成分，几十年来一直用于水冷式海上反应堆。为优化该燃料在商用水冷式反应堆中的使用，对设计进行了改进，包括增加中央置换器以降低燃料温度、使用现代核燃料包覆合金以及采用多叶几何形状以优化传热和冷却剂混合。该海上燃料使用高浓缩铀，在极高燃耗下表现出色，最高可达目前商用核燃料报废燃耗极限的两倍以上。由于 Lightbridge Fuel 使用 HALEU 而不是高浓缩铀，预期的燃耗水平完全在海上燃料的经验范围内，因此我们高度相信，该燃料将在水冷式核电站和 SMR 的报废期间表现出强劲的性能。

为了支持未来的资格认证和许可工作，Lightbridge 团队与多家研究机构一起开展了大量研究，包括在各种类型的水冷反应堆中各种条件下的模拟研究、热工水力和振动实验、研究反应堆中挤压多叶燃料棒的概念验证辐照测试，以及制造工艺的初步演示。此外，两项 GAIN 代金券奖励使爱达荷国家实验室 (INL) 能够为燃料设计先进测试反应堆 (ATR) 胶囊辐照实验，太平洋西北国家实验室 (PNNL) 进行了铸造演示工作，使用贫铀和锆合金制造燃料合金锭。

Lightbridge 目前正在 INL 开展燃料开发活动，工作范围包括改进制造工艺、燃料材料试样的辐照测试以及对辐照材料进行相应的辐照后检查。这些研究将根据核质量保证标准验证辐照过程中的基本材料特性，旨在为在 ATR 和瞬态反应堆测试设施 (TREAT) 中对各种条件下的棒状体进行后续测试提供参考。

此外，美国能源部 (DOE) 核能大学计划 (NEUP) 资助的两项正在进行的研究(一项由麻省理工学院 (MIT) 牵头，另一项由德克萨斯农工大学牵头)正在通过模拟研究和实验室实验研究 NuScale SMR 中燃料在正常和非正常条件下的中子、热和热工水力性能。这些正在进行的燃料开发活动支持授权 Lightbridge 金属燃料棒用于现有核电站和水冷式 SMR 的目标。

在现有和未来的反应堆中的使用

Lightbridge 燃料既可用于现有核电站，也可用于使用传统核燃料的小型模块化反应堆，无需对工厂进行重大改造。在这两种情况下，这都能在安全性、燃料性能、废物减少和抗扩散方面实现阶跃式改进。这直接提高了发电厂的经济性，因为发电厂可以在两次加油之间更长的时间内生产更多的能源，并且提高了运营灵活性。例如，在四回路压水反应堆 (PWR) 中使用这种燃料，可以将功率提高 10%，并将燃料循环从 18 个月延长到 24 个月，而无需对工厂进行重大改造。

在新建反应堆中，包括千兆瓦级核电站和小型核电站，平衡电厂设备可以设计为充分利用先进燃料，使功率比使用传统燃料可实现的水平提高 30%。

小型模块化反应堆的设计建造速度更快，所需的前期资本投资比大型反应堆要小，并且旨在实现批量生产的经济性。

在 SMR 中使用 Lightbridge 燃料可以提高功率密度，同时保持强大的安全裕度，也可以使其更具经济性，并进一步增强 SMR 与其他能源的竞争力。

未来，全球核电装机容量将大幅增加，以实现气候目标，新装机容量很可能包括千兆瓦级核电站和小型核反应堆。由于 Lightbridge 燃料能够以高功率密度运行，且设计坚固耐用，在未来的水冷核电站和小型核反应堆中使用 Lightbridge 燃料，将需要建造更少的反应堆来实现相同的装机容量。

Lightbridge Fuel 是水冷反应堆燃料的重大进步，在安全性、燃料性能、废物减少、抗扩散和发电厂经济性方面均有改善。它有望为水冷反应堆的核燃料树立新标准。

作者：Scott Holcombe 博士、Andrey Mushakov 博士和 James Fornof(Lightbridge Corporation)