编者按

6月23-24日，由国家能源局主办的“2016事故容错燃料技术国际研讨会”在深圳举行。出席该会议的中国工程院院士、中国核学会理事长李冠兴表示，事故容错燃料（ATF）技术是超高安全核能系统的未来，是全球核能行业面临的一次机遇。它的主要优点是，能够在较长时间内抵抗严重事故工况。本文为大家呈现国外主要核电强国在这一领域的研究情况。 

随着核燃料持续迅速发展，核燃料制造商正面临挑战。国内外的核电公司为了迎接挑战已经开展了大量的工作，这将推动行业发展进入一个新时代。

20世纪50年代，核工业经历了持续地增长、改革和发展，其中重大的研究领域之一就是核燃料，尤其是包括压水堆和沸水堆的核燃料。最初，为了保证功率失常事件下反应堆的自控运行，沸水堆和压水堆燃料被设计成负慢化剂温度系数。在这个框架下，沸水堆和压水堆燃料经历了一段发展时间，包括燃料材料、燃料在堆芯的固定、优化改善燃料的服役性能和可靠性等。尽管沸水堆和压水堆燃料的外观完全不同，但相似的材料和结构优化技术均可用来改进两种反应堆燃料的性能。  

核燃料领域的发展

沸水堆

在裂变反应活性区，最初选择了一些中子学特性较差的材料，例如不锈钢，这些材料已经被优化了的锆合金所替代。沸水堆过去通常按照6x6的燃料棒排列形式，后来，工程技术改进逐步增加了反应堆操作的燃料数量，变成了7x7的排列，然后是8x8，9x9，10x10，现在是11x11。与最初的6x6、7x7设计相比，类似阿海珐核电的ATRIUMTM 11高阶燃料棒排列，改进后的技术显著增加了单盒燃料组件内的燃料棒总长度，使得燃料棒表面积增加，从而减少了表面热流密度和改善了冷却剂交混现象。

缩小的燃料棒尺寸不仅降低了燃料棒温度，同时也改善了热交换速率。事实上，每根燃料棒的平均功率在逐步降低，而燃料芯块温度和燃料棒功率水平有一个必然地相互增长关系。通过燃料棒束实现一个更加优化的水和燃料分布，类似ATRIUMTM 11的燃料棒排列具有更高的中子效率。

在燃料组件设计和制造方面，不同的操作环境驱动了燃料组件补偿特征的创新，包括为了燃料的经济性，对搁架截面的轴向和径向进行分区； 或者发展燃料棒和燃料组件的自动组装技术，使操作更加方便。例如，沸水堆燃料设计已发展到能够最小化每炉燃料装量和提高铀效率。为了探索更高效的燃料循环方案，核设计人员开始改进线功率密度、最小临界功率比和冷停堆裕度等性能。

燃料通道是另一个改进的重要区域。这些通道迫使燃料棒束内部生成的蒸汽仅向一个方向移动，这是稳定的功率环境所必需的。锆合金用来避免寄生中子吸收和抵抗腐蚀。现在的先进燃料通道设计最小化了通道表面的金属总量，用来提高沸水堆燃料经济性。减少一个100 mm标准通道壁的四分之一，可改善235U富集度利用率约0.02 wt%。

压水堆

对于压水堆，通过化学成分、加工步骤和热处理方式的优化来获得更先进的包壳。同时，堆芯材料，为燃料组件支撑的导向管和各种先进包壳的优化又会促进燃料设计的改进，提升燃料的换料经济性。多年来，组件设计的调整已经允许工程师将铀的装量增加两倍并使燃料换料周期从12个月增加到24个月。

空间支架栅格的使用也发生了改变。这些支架最初只提供隔离燃料棒和抗震功能。如地震冲击等造成的燃料棒弯曲可能会导致燃料棒之间的接触，因此燃料棒之间设计了合理的间隙，这些间隙能最小化燃料棒弯曲的风险。优化了的现代栅格提升了燃料棒热工性能和最小化碎片捕集风险。