美國核電站耐事故燃料性能不斷提升

耐事故燃料（ATF）是為了比傳統(tǒng)的燃料更能承受反應(yīng)堆堆芯冷卻失靈而設(shè)計(jì)的，并在正常運(yùn)行期間保持和改善燃料和電廠性能。ATF是基于事故情況下，存在一定的安全裕度而設(shè)計(jì)，同時(shí)保證更有效的正常運(yùn)行。設(shè)計(jì)中，也考慮了與可再生能源更好的配合，提高電廠的性能。

在2011年福島核事故之后，美國國會(huì)、能源部和核工業(yè)界認(rèn)識(shí)到，要優(yōu)先開展ATF技術(shù)的研究和開發(fā)。因此，能源部啟動(dòng)了一項(xiàng)為期10年的計(jì)劃，目標(biāo)是在2022年前將具有增強(qiáng)事故耐受性的試驗(yàn)棒應(yīng)用于商業(yè)反應(yīng)堆。

重大突破發(fā)生在2018年2月，全球核燃料公司（GNF）的Iron Clad和ARMOR ATF鉛測試組件（LTA）在南方核運(yùn)營公司的哈奇工廠投入使用。

通過使用分段棒裝載ARMOR LTA，簡化未來的燃料檢查工作，同時(shí)也是在商業(yè)核電廠首次使用含顆粒的ATF。2019年3月，南方公司將世界上第一根全長ATF燃料棒采用Framatome公司的PRO tec設(shè)計(jì)裝入Vogtle-2核電站。

此外，一些國家已經(jīng)通過經(jīng)合組織核能機(jī)構(gòu)、國際原子能機(jī)構(gòu)和歐洲原子能共同體（Euratom）制定了ATF計(jì)劃和國際ATF聯(lián)合計(jì)劃。為了確保這些新燃料的廣泛適用性，美國核工業(yè)成立了ATF工作小組。在核能研究所的協(xié)調(diào)下，該小組包括來自NEI、DOE、燃料供應(yīng)商、電力研究所（EPRI）、核電公司以及其他各種行業(yè)專家的代表。另外，核管理委員會(huì)已經(jīng)發(fā)布了《高效耐事故燃料項(xiàng)目計(jì)劃》，概述了為供應(yīng)商提供的安全審查所做的準(zhǔn)備。

為了促進(jìn)行業(yè)的廣泛采用，行業(yè)制定了以下ATF設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

1.可接受的中子吸收截面，確保足夠的運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性。

2.適用于當(dāng)前輕水反應(yīng)堆。

3.有足夠的原材料供應(yīng)以滿足全球輕水反應(yīng)堆的需要。

4.在正常運(yùn)行條件下與目前的輕水反應(yīng)堆冷卻劑相兼容。

5.滿足現(xiàn)有的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、可靠性和許可要求。

正在開發(fā)中的ATF可以分為近期部署和遠(yuǎn)期部署兩類。近期部署的ATF使用目前的結(jié)構(gòu)、法規(guī)和監(jiān)管規(guī)則，預(yù)計(jì)將在20世紀(jì)20年代中期建設(shè)的核電站上實(shí)現(xiàn)商業(yè)部署。

遠(yuǎn)期部署的ATF仍在開發(fā)和測試中，可能需要制定新的監(jiān)管框架。因此，在運(yùn)行中的商業(yè)反應(yīng)堆中進(jìn)行部署之前，可能需要花費(fèi)很多時(shí)間進(jìn)行監(jiān)管措施和許可規(guī)則的制定。

商業(yè)反應(yīng)堆決定是否采用ATF，一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是ATF部署的時(shí)間表。越早部署，其安全和經(jīng)濟(jì)效益就可能在現(xiàn)有電廠的剩余壽命內(nèi)越早實(shí)現(xiàn)。理想情況下，ATF能提高核電站的安全性，同時(shí)有可能降低運(yùn)營成本并提高工廠的效率。“安全效益”意味著安全性提高，這比標(biāo)準(zhǔn)的鋯/二氧化鈾（Zr/UO2）燃料的性能更有優(yōu)勢。

先進(jìn)核燃料的研究、開發(fā)、許可和部署意味著大量的投資，以及燃料供應(yīng)商、運(yùn)營公司、研究機(jī)構(gòu)、監(jiān)管部門和政府機(jī)構(gòu)之間的合作。任何新的燃料技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上都是可行的，需要大量的安全和經(jīng)濟(jì)實(shí)踐來證明采用這項(xiàng)技術(shù)的合理性。

其優(yōu)勢包括提高了安全系數(shù)、燃料可靠性、經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)化燃料循環(huán)操作策略、減少廢物產(chǎn)生等。在過去的一年里，美國核工業(yè)一直在積極開發(fā)ATF，目標(biāo)是在2020年代早期到中期開始部署。因此，EPRI已經(jīng)制定了ATF技術(shù)的安全和經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估規(guī)則。

ATF的價(jià)值

在過去的30年里，EPRI一直在與政府、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和商業(yè)利益相關(guān)者合作，研究具有更高的可靠性、安全性、效率和性能的先進(jìn)燃料。雖然EPRI沒有開發(fā)具體的ATF技術(shù)，但提供了關(guān)鍵的安全、經(jīng)濟(jì)和運(yùn)營技術(shù)分析，以支持實(shí)施ATF的戰(zhàn)略決策。

商業(yè)反應(yīng)堆業(yè)主和運(yùn)營商采用ATF的前提是需要評(píng)估ATF的收益和成本。2017年，EPRI對(duì)ATF預(yù)期性能進(jìn)行了初步評(píng)估，量化了ATF所需的各種安全增強(qiáng)措施。在事故發(fā)生的假設(shè)下，EPRI對(duì)ATF的性能進(jìn)行了評(píng)估，并將ATF的結(jié)果與使用目前Zr/UO2燃料設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較。在這一初步評(píng)估之后，EPRI基于更多的事故情景進(jìn)行了分析，進(jìn)行了燃料循環(huán)優(yōu)化評(píng)估（通過增加運(yùn)行安全系數(shù)，同時(shí)提供更高的燃料可靠性、燃料循環(huán)優(yōu)化和減少乏核燃料，增加濃縮的多功能性能，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)Zr/UO2燃料更有優(yōu)勢。）因此，研究工作量大大增加，包括研究嚴(yán)重事故處置策略，進(jìn)行安全標(biāo)準(zhǔn)分析，評(píng)估燃料循環(huán)優(yōu)化等，EPRI的后續(xù)分析得出以下結(jié)論。

ATF可以提供更多的時(shí)間，以應(yīng)對(duì)和緩解事故。

對(duì)于有核態(tài)沸騰（DNB）限制的壓水堆失流事故，帶有二氧化鈾的Zr-合金包殼和標(biāo)準(zhǔn)Zr/UO2燃料系統(tǒng)的分析結(jié)果實(shí)際上是一樣的。然而，這些結(jié)果也表明，如果目前的DNB驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)被包層強(qiáng)度的失效機(jī)制所取代，就可以改變電廠運(yùn)行策略、增加堆芯設(shè)計(jì)的靈活性，以提高經(jīng)濟(jì)收益。

壓水堆冷卻劑損失事故（LOCA）評(píng)估顯示，隨著涂層包殼和摻二氧化鈾顆粒技術(shù)的使用，安全系數(shù)有所提高。額外的安全系數(shù)是通過使用具有更高導(dǎo)熱性的顆粒來實(shí)現(xiàn)的，這使得顆粒的工作溫度降低。此外，ATF包層大大減少了局部氧化。

包層—蒸汽氧化動(dòng)力學(xué)。這些性能上的好處可以延遲緊急核心冷卻系統(tǒng)（ECCS）的啟動(dòng)，但還需要更多的研究來證實(shí)這種可能性。

LOCA評(píng)估顯示，通過減少氫氣的產(chǎn)生量和氧化層的厚度，涂覆的Zr合金包殼能增加包殼在LOCA條件下的延展性和彈性。

涂層Zr—合金包殼可以支持適度增加峰值因子，以滿足壓水堆燃料循環(huán)優(yōu)化的需求。

沸水反應(yīng)堆ATF滿足允許沸騰過渡的安全分析的許可要求。ATF提高了燃料安全性，使其能夠承受發(fā)生沸騰過渡時(shí)的短暫干涸期，使得燃料循環(huán)成本降低。

BWR ATF概念可以滿足ECCS

滿足LOCA的許可要求的同時(shí)，大幅減少了ECCCS的注入流量。ATF的安全裕度可以通過利用額外的CPR裕度，放寬scram要求，取消周期結(jié)束時(shí)再循環(huán)泵的跳閘功能，允許在當(dāng)前許可的運(yùn)行限制內(nèi)以較低的堆芯流量運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)行和維護(hù)成本的降低。