核燃料性能的最新突破！

全世界在核電站儀控（I&C）、無損檢測、部件更換和維修，以及核燃料方面取得的重大進(jìn)展，都有助于當(dāng)下和計(jì)劃建設(shè)中的反應(yīng)堆趨向更加的安全、高效和可靠。不過，沒有哪個(gè)領(lǐng)域能像增強(qiáng)型事故耐受燃料（EATF）的發(fā)展那樣迅速。EATF設(shè)計(jì)可使輕水堆（LWR）在冷卻劑損失較長時(shí)間內(nèi)仍保持安全，同時(shí)也可以在正常運(yùn)行期間改善燃料性能。

1、提高燃料組件事故耐受性

在通常的核電生產(chǎn)過程中，核燃料組件在平衡溫度的冷卻系統(tǒng)的管理下承受高溫環(huán)境，以獲得最佳的燃料性能。

如果出現(xiàn)冷卻劑損失或失效的情況，就必須采取緊急措施關(guān)閉操作。在這一過程中，燃料工程師和制造商一直在探索改進(jìn)相關(guān)材料的工程設(shè)計(jì)，以提高燃料組件對(duì)突發(fā)事件的耐受性。

防止放射性物質(zhì)進(jìn)入反應(yīng)堆冷卻劑的第一道防線是燃料涂層。

一次反應(yīng)堆冷卻劑與二次冷卻劑包含在反應(yīng)堆容器內(nèi)，并且完全隔離。提高燃料涂層的事故耐受性的主要做法，是盡可能減少高溫氧化和氫氣的產(chǎn)生，同時(shí)保持甚至改善燃料組件結(jié)構(gòu)的完整性和其他參數(shù)的安全范圍。

為了應(yīng)對(duì)福島核電站事故后核能行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)反饋和美國能源部（DOE）指示，法馬通（Framatome）啟動(dòng)了先進(jìn)核燃料開發(fā)計(jì)劃，目前有兩種EATF設(shè)計(jì)正在開發(fā)和測試中。

2、近期解決方案：鉻強(qiáng)化燃料芯塊

自1997年以來，歐洲的沸水堆（BWR）和壓水堆（PWR）都采用了鉻強(qiáng)化燃料芯塊。與早期設(shè)計(jì)相比，這些芯塊的顆粒具有更深的結(jié)構(gòu)和更好的粘塑性。

粘塑性是燃料芯塊在不同載荷下的力學(xué)響應(yīng)。在鉻強(qiáng)化芯塊設(shè)計(jì)中，粘塑性響應(yīng)進(jìn)行了改善，可以降低芯塊-涂層相互作用（PCI）過程中涂層上產(chǎn)生的應(yīng)力。

改進(jìn)的PCI特性提供了更大的操作靈活性，例如負(fù)載應(yīng)變能力。負(fù)載應(yīng)變可以臨時(shí)降低發(fā)電功率，以應(yīng)對(duì)其他電源（如風(fēng)能和太陽能）的供應(yīng)波動(dòng)問題。更深的顆粒結(jié)構(gòu)也可以防止燃料破碎，避免燃料移動(dòng)和在突發(fā)條件下的損壞問題。

法馬通的鍍鉻覆層樣品自2016年以來一直在歐洲接受輻照試驗(yàn)，領(lǐng)先于其他的EATF技術(shù)。鉻涂層可大大減少高溫下的氧化，保護(hù)覆層免受碎屑損壞，并在發(fā)生氧化的情況下顯著延遲氫氣的積聚產(chǎn)生。

在失水事故試驗(yàn)中，鉻涂層膨脹較小，表現(xiàn)十分良好，而且在一定時(shí)間內(nèi)，保持了燃料棒和堆芯的安全狀態(tài)（形狀未發(fā)生太大變化）。通過鉻強(qiáng)化材料的防護(hù)，燃料未發(fā)生過大的位移。

這些設(shè)計(jì)改進(jìn)中，燃料容量也提高了，意味著燃料組件可以使用更長時(shí)間，可以更加有效地利用，將使美國PWR燃料循環(huán)時(shí)間從18個(gè)月延長到24個(gè)月。

隨著法馬通物理氣相沉積（PVD）涂層工藝的發(fā)展，歐洲和美國正在進(jìn)行先進(jìn)涂層的BWR應(yīng)用。計(jì)劃于2021年生產(chǎn)第一批美國商用輻照鉛測試棒。

3、長期解決方案：碳化硅基涂層和組件

碳化硅可以取代鋯合金材料，也不影響燃料效率。同時(shí)，可以耐受更高的溫度和更高的抗氧化性，顯著降低突發(fā)事故時(shí)氫氣的產(chǎn)生。這使得碳化硅復(fù)合材料成為EATF涂層以及BWR燃料通道等結(jié)構(gòu)部件的理想候選材料。

長期保護(hù)EATF的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是鉻強(qiáng)化顆粒和碳化硅基涂層。多層碳化硅這一概念，最初是在法國替代能源和原子能委員會(huì)（CEA）于2000年提出的，為第四代反應(yīng)堆開發(fā)設(shè)計(jì)。

根據(jù)法馬通-CEA-EDF三方協(xié)議，它成為LWR第三代EATF涂層概念。法馬通確定了實(shí)現(xiàn)碳化硅預(yù)期效益的重要技術(shù)攻關(guān)，并在CEA的支持下，對(duì)夾層設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)性更改，以應(yīng)對(duì)水熱腐蝕、密封性和涂層管端部密封等關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。

2016年，PWR條件下的第一次輻照試驗(yàn)在瑞士的戈斯根（Gosgen）工廠開始進(jìn)行。

法馬通計(jì)劃從2020年起，在愛達(dá)荷州國家實(shí)驗(yàn)室（INL）的先進(jìn)試驗(yàn)堆（ATR）中對(duì)碳化硅燃料棒進(jìn)行輻照試驗(yàn)，主要目標(biāo)是證明PWR原型條件下的整體性能。

4、核工業(yè)得益于其他工業(yè)領(lǐng)域的研究和創(chuàng)新

例如，法馬通的PVD涂層工藝是基于工業(yè)玻璃和電子制造業(yè)對(duì)其產(chǎn)品使用的PVD涂層。法馬通正在向這個(gè)行業(yè)學(xué)習(xí)可擴(kuò)展版本的涂層工藝和設(shè)備。

認(rèn)識(shí)到碳化硅在核燃料工業(yè)中加速發(fā)展的潛力，法馬通與通用原子公司合作，研究碳化硅在BWR燃料通道材料中的應(yīng)用。

這種燃料通道是正方形，長14英尺，包裹著BWR燃料組件。如果在燃料通道中使用碳化硅先進(jìn)核燃料設(shè)計(jì)，將會(huì)提高其安全性和燃料性能。

法馬通和通用原子公司將測試燃料通道應(yīng)用的碳化硅材料，以幫助去除BWR燃料設(shè)計(jì)中40%的鋯（Zr）金屬，這直接降低了突發(fā)事故中產(chǎn)生氫氣的風(fēng)險(xiǎn)。這一合作的建立基礎(chǔ)，是在通用原子公司為核能工業(yè)和國防等其他部門開發(fā)和部署先進(jìn)材料的歷史。

5、輻照試驗(yàn)

鉻涂層和碳化硅基覆層試驗(yàn)樣品在戈斯根進(jìn)行了三次輻照循環(huán)，樣品顯示出良好的效果。氧化特性大大降低，沒有涂層分層的跡象。

在戈斯根進(jìn)行了一次和兩次循環(huán)后，又生產(chǎn)更多的樣品，目前在瑞士的Paul Scherrer研究所進(jìn)行進(jìn)一步的表征和測試。戈斯根是世界上第一個(gè)在PWR工況下輻照EATF包層樣品的地方，這將支持EATF概念的商業(yè)化。

在法馬通和CEA實(shí)驗(yàn)室也在繼續(xù)對(duì)樣品進(jìn)行廣泛的測試，鉻涂層技術(shù)的發(fā)展在過去的十年中預(yù)計(jì)發(fā)展迅猛。

廣泛的測試計(jì)劃已經(jīng)建立。而且在法馬通的EATF概念之外，還有計(jì)劃和正在進(jìn)行的堆外試驗(yàn)計(jì)劃，這些計(jì)劃將補(bǔ)充輻照試驗(yàn)計(jì)劃，最終可以建立起全面的材料性能和模型數(shù)據(jù)庫。

2018年6月，在INL先進(jìn)試驗(yàn)反應(yīng)堆中，插入了含鉻強(qiáng)化顆粒的鍍鉻小棒進(jìn)行試驗(yàn)。這些小棒是第一個(gè)在PWR工況下進(jìn)行輻照的完整（涂層和芯塊一起）EATF概念棒?？偣灿?6個(gè)，在模擬商業(yè)LWR冷卻劑條件的特殊回路中進(jìn)行試驗(yàn)。測試結(jié)果將用于幫助美國核管理委員會(huì)（NRC）鑒定燃料設(shè)計(jì)。輻照試驗(yàn)后，這些小棒計(jì)劃在INL的瞬態(tài)反應(yīng)堆試驗(yàn)設(shè)施中進(jìn)行瞬態(tài)試驗(yàn)，測試的結(jié)果也將有助于NRC鑒定燃料。

6、先進(jìn)事故耐受控制元件

法馬通公司還開發(fā)了先進(jìn)的組件技術(shù)，使操作人員能夠在操作過程中控制堆芯的核反應(yīng)和功率水平。

雖然EATF解決方案能夠承受更高的溫度，并為操作員提供更多的響應(yīng)時(shí)間，但事故耐受控制組件材料性能更優(yōu)異，允許操作員在更高的溫度下控制反應(yīng)堆。

法馬通公司正在獨(dú)立開發(fā)一種事故耐受控制棒（ATCR），使用先進(jìn)的陶瓷。

這些芯塊具有極高的耐溫性，并且在至少1600℃的溫度范圍內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)任何共晶（即合金的熔點(diǎn)低于其組分金屬）。這些新型材料至少比當(dāng)前使用的（AIC和B4C）優(yōu)化了400℃。

反應(yīng)堆控制系統(tǒng)需要能更好地在正常運(yùn)行條件以外的情況下保持完全停堆狀態(tài)，這對(duì)燃料的穩(wěn)定性提出了更高要求，也為應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)注入含硼水留出了更多時(shí)間。

陶瓷顆粒對(duì)正常操作顯示出另一個(gè)顯著的好處：與AIC控制棒相比，隨著時(shí)間的推移，隨著輻射暴露（注量）的增加，溶脹大大減少。

法馬通公司的ATCR顆粒的改進(jìn)性能結(jié)果，正在高通量同位素反應(yīng)堆中進(jìn)行輻照驗(yàn)證。這種減少的膨脹，允許控制棒在更長的使用壽命內(nèi)運(yùn)行，并在功率運(yùn)行期間插入堆芯，而不會(huì)出現(xiàn)膨脹問題。

因此，這些控制棒的更換頻率較低，可用于需要?jiǎng)恿Σ倏v能力以支持負(fù)載應(yīng)變（即靈活操作）的電廠。