事故容错燃料研究

除此之外，运营者通过改变燃料制造中使用的各种材料的性能，探索了在核燃料中加入非能动安全特性的方法。对于当代和下一代核反应堆，这些新型燃料概念将会成为下一代燃料设计的重要部分，发展这些燃料是国际增强型事故容错燃料（EATF）项目的一部分。

为完成该计划，美国能源部目前倡议了一个项目，即行业团队齐心协力开发不同的燃料设计选项。对于这些设计，美国能源部要求增强型事故容错燃料具有如下特征：

·             将给予核电运营者更多“处理时间”来应付事故状况；

·             能够在2022年或提前应用；

·             继续使用铀燃料循环，且对铀燃料循环没有影响；

·             商业可行。

拟开展的一些技术研究包括：锆合金包壳涂层技术，开发替代包壳如碳化硅（SiC）和钼基包壳，在铀芯块中加入添加剂等。目前，阿海珐核电、西屋和通用电气以及包括美国几个主要实验室、高校科研人员和相关企业等组织了科研团队来开发这些设计。2016年，美国能源部带头优先研究这些创意。该增强型事故容错燃料方案，要求的进度是2022年完成商业型的先导测试组件（LTAs）或燃料棒。

阿海珐核电在事故容错燃料方面的工作

自从轻水堆燃料被研发，阿海珐就成为核燃料发展的领头羊，为了支持美国能源部的EATF计划，阿海珐核电已经开展了充分的调研。按照2022年获得先导测试组件的严格要求，阿海珐核电提出了一个分阶段方案，拟在2022年最终期限前完成含铬涂层的锆合金燃料棒组件的先导测试。

含铬涂层的锆合金包壳管，在法国核协会（由阿海珐、原子能与可再生能源委员会（CEA）、法国电力公司（EDF）组成）框架内，由原子能与可再生能源委员会开发，旨在严重事故下增加保护作用。起保护作用的铬涂层能给控制室的操作员增加额外的操作时间，确保有足够的事故处理时间使核燃料受损前恢复核电站到正常状态或停堆。当与阿海珐核电设计的掺杂Cr203的燃料芯块共同作用时，这些燃料棒与标准的二氧化铀相比能更好地储存裂变气体，同时在燃料棒破损事件下也能与蒸汽和水更好的相容。目前，为了进一步增强事故容错能力，阿海珐核电公司也开展了碳化硅包壳的研究。

另外，电力研究院EPRI已经参与阿海珐集团的项目，阿海珐美国子公司，开发了一种可以耐极高温的钼包壳，这种包壳在事故下仍能维持满足冷却要求的几何结构。

通过与佛罗里达大学的合作，阿海珐核电正在探索先进的等离子体放电烧结燃料制造技术，等离子体放电烧结通过显著降低能耗和单个芯块的处理时间从而提高经济性。这些先进概念能进一步增加反应堆操作员的处理时间以及在严重事故下阻止燃料棒破损的潜力。堆芯中加入碳化硅或者菱形添加剂后，会呈现更高的热导率。目前，阿海珐核电在爱达荷国家实验室先进试验反应堆进行的辐射项目，开始详细表征这些改良的芯块， 2016年底有望获得初步结果。

除了领导一支美国能源部的EATF研究队伍，阿海珐核电还参与瑞士Gosgen核电站的一个EATF项目。负责提供具有创新包壳材料的燃料棒。这些材料由原子能与可再生能源委员会、阿海珐和法国电力公司合作研发，该项工作将在瑞士保罗谢尔研究所和原子能与可再生能源委员会的热室内定期检查。预期结果证实后，最佳方案将有望在2020年实现商业应用。

先进燃料的持续发展

阿海珐的工程师目前也正在进行新的燃料设计，包括沸水堆的ATRIUMTM 11燃料和压水堆的GAIA燃料。

为了获得燃料循环经济性、可靠性和操作灵活性的改进，ATRIUMTM 11沸水堆燃料由112根燃料棒组成的11x11的对称排列结构。燃料棒内掺杂了Cr2O3的燃料芯块。沸水堆燃料棒性能测试表明，掺杂Cr2O3的燃料芯块可以提高燃料抗芯块包壳相互作用（PCI）的保护能力，这种能力不亚于内衬包壳。考虑到包壳无内衬部分提供了最主要的机械机构（如结构壁），掺杂Cr2O3的燃料和无内衬包壳结合后，这使包壳结构壁的绝对厚度变大，增强了机械承压能力。

按照设计要求，燃料效率要超出现有10x10组件产品的2~3%。而新的11x11组件，平均线功率密度降低了19%，这提高了操作灵活性，可以通过提高核电站功率而提高经济性。

该燃料的另一个设计特征是，用Z4BTM合金作为外部通道结构材料。Z4BTM是对Zry-4合金优化铁、含铬的一种衍生材料，这种材料具有更强的耐腐蚀性。外部通道材料最终经过一个β-淬火热处理工艺，用来产生随机的微观结构。综合Z4BTM和β-淬火工艺，能有效地消除辐照诱发的材料老化，提高稳定性和降低控制片干扰的风险。

ATRIUMTM 11燃料组件的燃料元件，能全面防止碎片磨损。这是一种第三代燃料的保护手段，入口碎片过滤器在反应堆冷却剂进入燃料组件过程中，阻止了所有能够对燃料棒束造成损害的大碎片，提高了燃料操作的可靠性；封闭的搁架上避免了碎片从上面进入燃料棒束，从而保护了棒束，例如，换料操作期间，假设最小的碎片有可能进入燃料棒束，而ATRIUMTM 11组件的特征是，通过一个低截留的定位格架，让碎片移动远离燃料棒。

从2012年到现在，全世界总共有40盒燃料组件，至今未发生任何事故。一个综合性检查项目也会继续跟进，大量已经完成的辐照后测试显示了这些材料的预期性能。从全世界经验来看，ATRIUMTM 11原型组件预计在2018年市场供应。

GAIA燃料棒设计使用M5TM包壳管装载掺杂 Cr2O3的芯块。这种燃料棒具低腐蚀、高密度、低裂变气体释放和抗PCI的性能。在模拟的环境下，高压釜测试已经进行了1500小时。在CEA卡达拉什中心（一个专门从事核能研究的法国科学研究中心），全尺度燃料棒束的耐久性测试在HERMES-P 回路上开展。

在压水堆水力条件下进行的测试，进一步确认了搁架和包壳之间的低磨损。GAIA混合搁架具有最优的搁架-燃料棒磨损和热工水力学性能。此外，为了防止组件内部挂件对燃料装卸的影响，设计也对外部的搁架套带进行了优化。GAIA搁架的设计优化已经被证实优于AFA 3GTM燃料组件的性能水平。在燃料组件上部增加的中间混合搁架，进一步提高了热水力性能，这满足最苛刻反应堆的要求。

整体导向管采用新的四元锆合金Q12TM制造，可以显著提高抗组件横向变形的能力。最后，管脚被重新设计成可以同时捕获所有压水堆碎片，同时通过将燃料棒直接安装在管脚上，降低了压力，提供了额外的抗震性。

目前，GAIA的设计方案正在欧洲和美国的少数实验室进行研究。大量相关的辐照后测试表明，GAIA燃料的性能符合市场需要。

下一步未来几年，大量核燃料R&D项目所带来的影响将席卷整个核工业。下一代燃料和EATF燃料代表着核工业发展的方向，先进核燃料方案将成为可能。核燃料将会随着新型反应堆，像快堆、小型堆、熔盐堆、球床堆和行波堆、ADS（加速器驱动次临界堆）的发展而持续改进……

参考资料：

1. Fuelling innovation, nuclear engineering international. 22 May 2016.

2.Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives (www.cea.fr)

3. Paul Scherrer Institut (www.psi.ch)