福島核事故后，各國都在從中進(jìn)行經(jīng)驗反饋，避免再次發(fā)生同樣的問題。在全球核工業(yè)界的經(jīng)驗反饋中，最重要的一點就是核燃料的安全性問題。通過對核燃料各方面的研究探索，核工業(yè)界提出了各種新燃料方案，不僅為應(yīng)對各種可能發(fā)生的事故贏得充裕時間，還提高了核電站的安全性，核電發(fā)展也迎來了更加光明的前景。
1、福島核事故
▲日本福島核電站
2011年3月11日星期五，當(dāng)?shù)貢r間下午2點46分，日本東北部發(fā)生大地震，震中位于距海岸130公里處，震級為里氏9.0級，持續(xù)了大約3分鐘，這次地震造成650公里長海底水平移動10~20米，日本島向東移動了幾米，當(dāng)?shù)睾０毒€下沉了半米。 東日本大地震放發(fā)生時候，位于東京東北225公里處的福島第一核電站并未受太大影響。但40分鐘后，福島第一核電站被15米高的海嘯吞沒。
海嘯過后，福島電站三個在運(yùn)反應(yīng)堆自動關(guān)閉，但巨浪襲擊造成應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)無法工作，冷卻系統(tǒng)備用電源失效。因此反應(yīng)堆無法冷卻，核燃料芯溫度不斷升高，最終過熱熔化，發(fā)生氫爆，對反應(yīng)堆建筑造成巨大的破壞，大量的放射性物質(zhì)擴(kuò)散到周圍的環(huán)境中。
福島核事故發(fā)生后，為提高核電站對核事故的耐受度，全球的核工業(yè)界開始研究先進(jìn)核燃料概念，研制能夠抵抗冷卻劑損失和其他不利事件的核燃料，從而提高核燃料安全裕度。 2、改進(jìn)核燃料涂層
受福島核事故經(jīng)驗反饋，美國能源部(DOE)提出了事故耐受燃料研究倡議，并制定了開發(fā)計劃。該計劃于2012年啟動，預(yù)計是到2022年開始在商業(yè)堆中測試燃料棒。
在大多數(shù)商業(yè)堆中，燃料棒由二氧化鈾燃料芯塊組成，堆在鋯合金長包殼管內(nèi)。鋯用作保護(hù)芯塊的屏障，在正常運(yùn)行條件下非常耐腐蝕，其中燃料棒在300℃下放置在水中(在高壓力下，水不會沸騰)。
然而，如果出現(xiàn)溫度問題，水冷卻劑就會開始沸騰，包殼暴露在高溫蒸汽中，在高溫環(huán)境下，鋯很容易與高溫蒸汽發(fā)生反應(yīng)，迅速轉(zhuǎn)化為氧化鋯，氧化鋯性質(zhì)非常脆，很容易開裂，因此造成燃料保護(hù)屏障失效。
核工業(yè)界在第一代耐事故燃料中的主要做法，是在包殼上涂一層涂層，以防止鋯在事故期間直接暴露在高溫蒸汽中。 這就是海瑟(Heuser)實驗室所做的——測試傳統(tǒng)鋯基合金覆層上的鉻涂層。
“改進(jìn)現(xiàn)有包層的好處是，避免出現(xiàn)包層破裂。”Heuser說，“目前的設(shè)計在正常運(yùn)行條件下效果良好，在上面涂一層涂料，對于反應(yīng)堆來說是一個很小的變數(shù)。如果發(fā)生運(yùn)行突變，覆層暴露在高溫蒸汽中會很好的抵御風(fēng)險。” Heuser團(tuán)隊在正常操作條件下和暴露在高溫蒸汽下都進(jìn)行了測試，鉻涂層表現(xiàn)良好。
提供反應(yīng)堆動力的核燃料包含在燃料組件中，燃料組件位于300℃高壓水中，以防止沸騰。這些組件有一系列的燃料棒，其中大部分是含有二氧化鈾燃料芯塊的燃料棒。
▲鋯合金管
通常，燃料棒由鋯合金包層來保護(hù)芯塊免受水影響，但如果發(fā)生事故，水會變成蒸汽，損壞包層狀態(tài)。 事實上，鍍鉻包層已經(jīng)開始出現(xiàn)在商業(yè)核反應(yīng)堆中。 作為2012年計劃的一部分，DOE與法馬通(Framatome)、西屋(Westinghouse)和通用電氣研究公司(GE Research)三家公司簽訂了事故耐受燃料的開發(fā)合同。
法馬通(法國公司)和西屋(美國公司)都在開發(fā)鍍鉻鋯合金燃料棒。 西屋公司于2019年在伊利諾伊州的拜倫(Byron)核電站和2020年在比利時的多爾(Doel)核電站安裝了具有先進(jìn)包殼的測試棒。
與此同時，2019年初，法馬通的鍍鉻燃料棒裝入美國佐治亞州沃格特爾(Vogtle)發(fā)電廠的反應(yīng)堆。
所有三個反應(yīng)堆目前都在使用這些升級后的燃料棒進(jìn)行一些燃料循環(huán)，之后將對它們進(jìn)行一系列檢查。 3、減緩核反應(yīng) 事故耐受燃料的設(shè)計目的是在事故期間減緩核反應(yīng)，而不是完全阻止。
“我們的目的并不是說，好吧，這已經(jīng)發(fā)生了，我們就放任不管吧，三天之內(nèi)自然會好起來，”Heuser說，“這從來不是我們的目的。這完全不現(xiàn)實。問題是：我們可以贏得多少時間?” 她指出，研究表明，鉻涂層可以在幾個小時內(nèi)阻止高溫蒸汽與底層鋯包層發(fā)生反應(yīng)，這幾個小時可能就是反應(yīng)堆操作人員解決問題的時間。
但是，還有其他選擇，例如完全改變包層材料。 碳化硅復(fù)合材料，一種更類似于陶瓷的材料，是目前正在研究的一種潛在解決方案。這些材料具有非常好的高溫性能。
“碳化硅覆層可以耐受住800℃的高溫。”戈達(dá)德(Goddard)說。
不過，將這些復(fù)合材料制成4米長的薄壁管是一項挑戰(zhàn)。目前使用的是化學(xué)氣相沉積技術(shù)，一批產(chǎn)品需要數(shù)周的時間，這個設(shè)計的主要問題還是經(jīng)濟(jì)可行性的方面。不過，英國的研究人員在NNL的支持下，正致力于改進(jìn)這種制造技術(shù)。
與此同時，美國通用電氣研究公司一直在開發(fā)兩種產(chǎn)品：一種新的鐵基合金覆層材料，被稱為“鐵殼”(Iron Clad)，和一種鋯覆層涂層——“鎧甲”(ARMOR)。
通用電氣負(fù)責(zé)燃料項目的Russ Fawcett解釋說，“鎧甲”涂層不是鉻，是一種專利產(chǎn)品，公司尚未披露其成分。 與其他事故耐受燃料目標(biāo)一樣，以上設(shè)計均想在嚴(yán)重事故期間為穩(wěn)定電廠贏得時間。Fawcett說，研究表明，在類似于福島核事故發(fā)生的斷電情況下，通用電氣的覆層產(chǎn)品可以拖延核反應(yīng)3到6個小時。
到目前為止，他們已在通用電氣研究公司和美國愛達(dá)荷國家實驗室的反應(yīng)堆中進(jìn)行了高溫蒸汽長期暴露測試，與標(biāo)準(zhǔn)鋯合金包殼相比，這兩種產(chǎn)品的耐高溫蒸汽性能都有所提高。
2018年，它們還被安裝在美國佐治亞州哈奇(Hatch)核電站的一個商業(yè)反應(yīng)堆中，2020年，通用電氣進(jìn)行了池邊檢查，該公司表示，結(jié)果顯示，原型產(chǎn)品工作情況良好。
目前，該公司正與美國核管理委員會(US Nuclear Regulatory Commission)合作，批準(zhǔn)“鎧甲”產(chǎn)品用在核電站上，而“鐵殼”的開發(fā)也將繼續(xù)進(jìn)行。通用電氣希望在2025年將“鎧甲”推向市場，四到五年后是“鐵殼”。 4、新燃料的研究
▲二氧化鈾顆粒
通過改變包殼管內(nèi)的二氧化鈾顆粒，也有可能提高核燃料的事故耐受度。
在美國得克薩斯大學(xué)圣安東尼奧分校的Elizabeth Sooby Wood實驗室，研究人員正在研究先進(jìn)核燃料。
在耐事故核燃料方面，Sooby Wood和她的同事們正在研究導(dǎo)熱性，即燃料如何有效地散熱，從而在發(fā)生不利事故時不會達(dá)到真正的高溫。
在反應(yīng)堆中，所有燃料都必須高于臨界溫度。導(dǎo)熱性較差的燃料加熱不均勻，很容易導(dǎo)致燃料溫度遠(yuǎn)高于臨界溫度。 相比之下，導(dǎo)熱系數(shù)更高的燃料可以在反應(yīng)堆中以更均勻的溫度運(yùn)行，從而降低燃料的整體溫度。同時這也意味著，燃料在事故中需要從工作溫度上升到熔點，中間也是要有一定時間的。
較冷的燃料可以帶來更高的安全系數(shù)。目前，她的團(tuán)隊正在研究硅化鈾作為傳統(tǒng)二氧化鈾的替代品。
正如向鐵中添加材料來制造不銹鋼一樣，研究人員也在添加各種金屬來制造鈾硅化物合金。他們一直在添加鋁和鉻。在最高1600℃的熔爐中對合成的合金進(jìn)行測試，并通過蒸汽模擬燃料元件和鈾化合物的冷卻暴露情況。 理想情況下不會發(fā)生反應(yīng)：鈾硅化物合金不會降解或燃燒。
迄今為止，研究人員已經(jīng)在200℃到1000℃的溫度下進(jìn)行了蒸汽氧化試驗，結(jié)果反應(yīng)良好，與普通的硅化鈾相比，新材料反應(yīng)的開始時間延遲。
如今，Sooby Wood團(tuán)隊和其他人正在研究通過不同的方法來整合這些金屬，以獲得進(jìn)一步的反應(yīng)延遲。 這個階段的工作只是基礎(chǔ)性的研究和開發(fā)，合金化是否有效，能否改善燃料的性能還需要進(jìn)一步研究。但是如果成功的話，Sooby Wood說，這些新燃料還可以提高燃料經(jīng)濟(jì)性，因為它們有更高的鈾密度：單位體積的鈾更多。
所以，對于同樣的空間，可以容納更多的裂變材料，反應(yīng)堆的輸出功率更高，還可以有更長的燃料循環(huán)時間。
更高的鈾密度可以使用更先進(jìn)的包層材料。Sooby Wood解釋說，更高密度的燃料會產(chǎn)生更多的中子，他們正在研究的一些包層材料比鋯有更高的中子俘獲率，可以吸收裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中產(chǎn)生的更多中子。
5、核電的未來
通用電氣研究公司(GE Research)的約翰•艾倫(John Allen)表示，雖然公司將努力了解這些先進(jìn)燃料的其他好處，“增加安全系數(shù)”。 他的同事，工程師埃文多利(Evan Dolley)補(bǔ)充說：“我們的主要目標(biāo)是提高燃料的可靠性和安全性，并贏得更多處置事故的時間。這一點從來不會變。” 與此同時，Heuser認(rèn)為，研究公司和核工業(yè)界已經(jīng)找到了事故耐受核燃料的可行性方案。
“我認(rèn)為核電的前景是光明的。我認(rèn)為它需要與可再生能源一起成為平衡能源組合的一部分。”他說，“我們需要遠(yuǎn)離化石燃料，因為全球氣候變化是一個需要解決的現(xiàn)實問題，核能可以而且應(yīng)該成為解決其中的一個解決方案。”
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