开发耐事故燃料的复杂性

耐事故燃料被认为提供了安全和经济效益。尽管目前正在开发的一些设计正在改进，但很明显，进展非常顺利。

1、耐事故核燃料情况

包覆锆合金管的氧化铀燃料芯块的基本组件设计，仍然是绝大多数商业核电站的首选燃料。

全世界对耐事故燃料(ATF)的开发和部署越来越感兴趣，ATF包括应用在更广泛的通用先进技术燃料设计中。ATF为正在考虑的许多设计的核反应堆提供了安全和经济效益。这种燃料可以定义：

与目前的UO2锆合金燃料系统相比，在反应堆堆芯发生严重事故情况下，可在长时间内保持安全性;

可以在正常运行和运行瞬态期间保持或改善燃料性能;

与核燃料循环的所有方面兼容(运输、储存和在封闭燃料循环中的可能使用)。

ATF主要涉及新的包壳和燃料芯块设计，以提高核燃料的性能和严重事故响应时间。

ATF利用了其他类新材料，减少了氢的积累，提高了裂变产物的保留率，并且在结构上更耐辐射、腐蚀和更高的温度。

此外，预计它们的使用寿命将比目前的燃料设计更长，并可能将压水堆的换料间隔时间从1.5年延长到2年。这将减少所需燃料组件的数量，从而减少废物产生并降低燃料成本。

未来十年内，在现有的轻水反应堆和基于轻水反应堆的小型模块化反应堆(SMR)设计中，对于那些足够成熟的技术，可以开始燃料鉴定并实现近期部署，这些技术被称为“进化型耐事故燃料(eATF)”。

基于增强包层、改性氧化铀燃料(包括掺杂剂)和提高浓缩度等特征，有许多设计和概念可以被称为eATF。

目前已经进行了大量的研究和开发，以支持将eATF引入商业核反应堆，作为一系列测试计划的一部分，首批eATF将于2021年投入使用。

这些测试支持反应堆堆芯运行的经济和安全情况，并提供初步信息，以预测与传统动力反应堆燃料相比对燃料循环后端的潜在影响，包括在储存、运输、再处理和回收以及处置过程中。

2、ATF研究起源

地图显示了来自不同供应商的ATF燃料项目和不同类型的先进燃料(图源：Nicolas Waeckel)

在过去的40年里，核燃料领域一直在不断发展，并已达到可以在商业核反应堆中安全可靠地辐照高达65GWd/tU的阶段。

在此期间，对原始设计和材料进行了许多改进，但包覆锆合金管的氧化铀(UO2)燃料芯块的基本设计，仍然是绝大多数商业核电站的首选燃料。

然而，严重的事故，如1979年美国三里岛核事故和2011年日本福岛第一核电站事故，均表明，在发生事故的极端条件下，核燃料很容易失效。

在某些情况下，锆合金和水在高温环境中发生反应，有氢气产生，并有可能发生爆炸。

2011年，东日本大地震引发的地震和海啸，严重破坏了福岛第一核电站，反应堆立即关闭，但燃料中的裂变产物继续释放衰变热。

燃料组件包壳中的锆合金，在比正常工作温度高几百度的温度下迅速氧化，导致燃料棒解体和包壳快速腐蚀。

这一过程释放出氢气，引发爆炸，进一步损坏了工厂。

这场灾难促使研究人员开始开发耐事故燃料解决方案，该解决方案主要目的，是在冷却剂丧失事故(LOCA)发生后，主动冷却之前，对事故核电站有更多的抢救时间。或者更好的是，能够无限期地承受衰变热和冷却不足所产生的持续高温，从而防止或延迟事故期间放射性核素的释放。

在美国、俄罗斯、法国、英国、韩国、日本和中国等主要核能大国，立即开展了关注燃料芯块和包壳的设计，以及两者之间相互作用的研究。

这项研究得到了国际原子能机构(IAEA)和经合组织核能机构(NEA)等国际机构的支持。

3、ATF和IAEA

ATF主要涉及新的包壳和燃料芯块设计，以提高性能和事故响应时间。

自20世纪80年代以来，早在福岛事故发生之前，IAEA就一直支持成员国在燃料开发方面的国际合作。包括在协调研究项目(CRP)的框架内，努力提高用于预测燃料行为的计算机能力。

然而，福岛核事故表明，需要对燃料性能的各个方面进行充分分析，以防止发生故障，同时预测事故中的燃料行为，还需要测试和模拟ATF的行为。

IAEA通过技术会议、咨询会议和CRP活动开展工作。福岛核事故发生后，组织了两次CRP，重点关注核燃料和ATF在设计基础上的建模和测试以及严重事故。

第一份关于“事故工况下燃料建模(FUMAC)”的CRP(2014-2018年)，旨在通过确定不同成员国使用的相关物理模型和计算机应用最佳实践，以及提高其预测能力，更好地了解事故工况下的燃料行为。

CRP中对事故模拟实验的结果，及其与先进燃料性能的分析进行了仔细检查，并于2019年在IAEA的技术文件中公布了结果。

关于“提高耐事故容限的燃料(ACTOF)的选项分析和实验检查”的第二份CRP(2015-2019)，涉及通过先进技术燃料类型和包壳材料的实验获取数据。

它还研究了建模能力的发展，以预测部件的行为和ATF设计在正常和瞬态条件下的整体性能，并试图证明在严重事故条件下的改进。

这些结果发表在2020年IAEA的一份技术文件中。

根据2019年5月IAEA关于设计基准事故和设计扩展条件下燃料行为建模的技术会议的建议，新的ATF测试和模拟CRP于2021年启动，目前正在进行中。

它包括一组实验，一些参与者向几个实验室提供样本。实验提供了一组新的ATF数据。结果将于2024年公布。

本CRP旨在解决影响当前运行和创新的动力反应堆核燃料和材料的设计、制造和堆内性能的因素，并提高技术准备程度。目标包括：

对ATF在正常、设计基础(DB)和设计扩展(DE)条件下的性能进行实验测试，包括单杆和管束测试;

根据CRP期间获得的新测试数据或成员国实验计划中与先进燃料和包壳概念相关的现有数据，对燃料进行基准测试;

开发ATF性能的LOCA评估方法，以期核电站应用;

研究在核电站中使用ATF燃料的部分方法，并开发一个关于ATF主题的开源库。

4、ATF开发进展

事故耐受燃料组件首次装入美国反应堆，已安装在美国伊利诺伊州的克林顿沸水堆发电厂。

法国电力公司(EDF)的前雇员尼古拉·瓦克勒博士在ATF开发方面工作了多年，他表示：“福岛核事故发生后，我们就开始与美国能源部一起研究ATF，参加了IAEA和OECD的专家组。”

他补充道：“我负责制定一个新的安全标准来鉴定这种新型燃料。当开发一种新型燃料时，不能应用当前的标准，必须制定新的标准，一种验证材料的新方法……甚至可能改变对一种与当前燃料截然不同的燃料的安全性的思考方式。”

自2012年以来，美国能源部通过其增强型事故容忍燃料(EATF)计划支持ATF概念的开发。能源部目前正在资助法国法马通公司、通用电气日立公司和西屋公司的研究。

TVEL的事故耐受燃料组件(图片：TVEL)

俄罗斯目前还在罗斯托夫核电站2号机组测试其TVS-2M ATF。

瓦克勒指出，美国能源部获得了国会的资助，用于开发更安全的燃料，“因此所有的燃料制造商和研究人员都非常努力地进行开发”。

甚至在福岛核事故发生之前，许多实验室和制造商“就在壁橱里的货架上放着一些正在开发但处于待命状态的外来燃料，他说，“然而，当时没有需求，也没有真正的必要将这种燃料放入反应堆，因为目前的燃料表现得很好。”

他补充道：“15年前发展核工业的人都很优秀，他们从错误和一些糟糕的经历中学到了很多，所以现在我们已经实现了非常好的优化。”

瓦克勒认为，这就是为什么燃料概念没有改变的原因。“现在，突然之间，因为日本福岛，也因为美国能源部有拯救世界的伟大想法，我们正在考虑改变。”

他说，开发ATF的设计人员在事故中的表现和行为都有所提高，“但我们意识到有些在短期内是无法实现的”。

因此，现在的重点是其他方面——包壳、燃料循环优化——更长的循环和更高的燃耗。

瓦克勒说：“这可能会引起运营商的一些兴趣……提高工厂的经济性——这就是发电厂。”

在各种燃料供应商提出的ATF的多种变体中(见图1)，就其技术准备水平而言，有两大类燃料，这与开发、鉴定和许可概念所需的时间和精力有关。这些是：

短期进化概念，例如涂层锆基覆层;不锈钢覆层(如FeCrAl);高密度燃料(如U3Si2)和掺杂燃料芯块(如铬掺杂);

长期改进概念，如耐火覆层(如衬钼)、碳化硅(SiC)覆层;微电池燃料;微胶囊燃料芯块概念;氮化铀燃料。

先进燃料的关键要求，涉及堆内燃料性能、包壳性能以及与所有系统约束的兼容性。

5、未来愿景

带有Encore ATF铅测试棒的燃料组件(图片：西屋公司)

瓦克勒强调，就其设计而言，开发新型燃料是一个长期目标。

“把新燃料放进反应堆不像把新应用程序放在手机上。如果应用程序不起作用，你就把它卸载了，手机仍然安全。但如果你把错误的燃料放进了反应堆中，对每个人来说都可能是一场噩梦。所以，我们必须非常谨慎，非常小心，考虑可能发生的一切。世界上没有运营商想经历这种糟糕的惊喜。”

然而，这种谨慎并不一定是消极的。他说：“对我来说，这一切都是非常积极的，因为它激励了所有的实验室、所有的研究人员，尤其是年轻一代。他们看到了开发这种新型燃料的未来愿景。”

一些项目非常奇特，与标准燃料完全不同，而另一些项目则非常相似，只是带有新型涂层的燃料。作为测试和鉴定过程的一部分，其中一些进化燃料已经在接受辐照。

然而，瓦克勒提醒说，这些改进燃料的最终进展是有限的。

他说：“这其中的标准是事故处理的宽限期——我们将多获得几分钟的时间。这不是工作规则的改变。这是一个小变化。这是真正的耐事故燃料吗?不是的，这是一种改进。”

最后，瓦克勒说：“我要表达的主要内容是，核工业的发展始终是积极的，因为我们在所有领域都在取得进展——在研究、调查技术、测量技术和建模方面，所有这些改进对整个核工业都非常有益。因此，即使产品本身不是一个神奇的答案或神奇的解决方案，它也是年轻一代思考安全、建模、高级建模和高级研究的平台。”