事故耐受性燃料技術旨在為核電站發生事故時提供額外的安全和反應時間。十年過去了，取得了哪些進展?NEI報告

為了應對2011年的福島事件，全球核工業啟動并加快了研究計劃，旨在開發具有更好安全特性的新一代燃料系統。這些技術被整合到輕水反應堆燃料設計的傳統燃料顆粒和包殼中，以提供額外的保護層。

2012年，美國國會指示能源部(DOE)通過其所謂的事故容忍燃料(ATF)計劃，優先開發增強型燃料和包殼。

十多年來，已經取得了重大進展，特別是在近期的解決方案方面。核燃料供應商Framatome、全球核燃料公司和西屋公司正在與能源部合作，開發新的包層和燃料設計，以提高性能并加強對嚴重事故的安全反應。

Framatome公司在十年前啟動了PROtect增強事故容限燃料(EATF)計劃，它告訴NEI，近期解決方案目前正在五個商業反應堆中運行。這些鉛測試組件包含二氧化鈾或鉻化鈾增強型燃料顆粒。壓水反應堆(PWR)的燃料包層有鉻涂層的鋯合金包層，沸水反應堆在Zircaloy-2包層上使用另一種適應特定沸水反應條件的創新涂層。

Framatome首次實施其ATF技術是在2016年在瑞士的Goesgen(1010MW壓水堆)，引入了涂層包層和碳化硅測試樣品。后來，在2019年，在Goesgen引進了20根全長的涂層棒，現在它們已經經歷了兩個完整的輻照周期。同樣在2019年，Framatome在美國南方核電的Vogtle 2(1229MW壓水堆)引入了四個鉛測試組件，其中包括四個全長的鉻涂層棒，里面裝滿了鉻增強的顆粒。這些是在世界上第一個全長完整的插入的ATF棒。在2020年，Vogtle 2完成了采用這種設計的第一個運行周期。Framatome說，結果與預期一致，并指出包層表現良好。第二個運行周期最近已經完成，目前正在進行數據收集和分析。

Framatome公司還在Entergy公司的Arkansas Nuclear One壓水堆中插入了鉻涂層棒，最近又在明尼蘇達州Xcel公司的Monicello工廠的BWR中引入了ATF棒。Framatome還向馬里蘭州的Calvert Cliffs壓水堆交付了第一個完整的ATF組件。該組件包含176根鉻涂層棒和鉻強化顆粒。

Framatome公司說，到目前為止，它已經將超過5000萬個鉻強化顆粒和200個鉻涂層的全尺寸(或長度)棒投入運行。它指出，鉻增強顆粒已經在美國的五個不同的反應堆中運行，現在是其雙核反應堆ATRIUM 11燃料設計的一個標準特征。

全球核燃料公司(GNF)是由GE領導的與日立的合資企業，一直在開發ARMOR和IronClad這兩項新技術。據GE稱，ARMOR是一種應用于現有鋯燃料包層的專有涂層，提供抗高溫氧化，減輕碎片飛濺，防止腐蝕和提高熱極限余量。IronClad是一種新的鐵、鉻和鋁包層，可替代鋯基合金。

2020年，使用GNF的ARMOR和IronClad ATF解決方案的鉛測試組件被安裝在位于伊利諾伊州的Exelon的克林頓核電站(1098MW BWR)。早些時候，LTA被裝入由南方核電運營的喬治亞州的Hatch 1。在Hatch 1安裝了兩種IronClad材料的變體--一種是燃料棒形式，但沒有燃料，另一種是固體棒段形式。含有燃料棒的ARMOR LTA也被安裝在Hatch 1。

西屋公司近期的EnCore燃料具有鉻涂層的鋯包層和ADOPTTM燃料顆粒，在安全和經濟方面有適度的優勢。ADOPT顆粒是一種成熟的設計，已經在歐洲的沸水反應堆中使用了十多年。

它通過包括少量的氧化鋁和鉻來改進二氧化鈾燃料。西屋公司表示，這些添加劑促進了二氧化鈾的晶粒生長和燒結性，使晶粒尺寸增加了兩倍，密度增加了2%。更大的晶粒尺寸延遲了裂變產品的運輸，并能更好地保留裂變氣體。更高的密度允許在燃料組件中放置更多的鈾，以獲得更高的線性功率(更高的燃燒度)，從而改善燃料的經濟性。在發生冷卻劑損失事故等情況下，這種顆粒也有望在燃料破碎、搬遷和處置方面提供額外的安全優勢。2019年和2020年，EnCore測試組件在伊利諾伊州的拜倫2號和比利時的杜爾4號裝載。

去年夏天，幾個含有EnCore燃料技術的鉛測試棒抵達橡樹嶺國家實驗室(ORNL)，對燃料進行輻照實驗，以支持與NRC的許可工作。作為許可證審查過程的一部分，監管機構也在審查西屋公司關于其ADOPT燃料顆粒的專題報告，該報告早在2021年就已被接受。

2021年9月，Rosatom宣布它已經在羅斯托夫2號開始試運行，使用新一代的俄羅斯ATF。三個TVS-2M燃料組件被裝入VVER-1000反應堆堆芯。每個裝有312根燃料棒的組件包含6根使用鉻作為結構材料的合金42(一種含42%鎳的鐵合金)的燃料棒，以及6根帶有鉻涂層的鋯合金包層的燃料棒。

12月，在巴拉科沃1號的計劃停運期間，六個帶有鈾钚REMIX燃料棒的燃料組件被裝入VVER-1000核心。每個標準TVS-2M型號的REMIX燃料組件只包含從乏核燃料中回收的鈾和钚的混合物的燃料棒(每捆有312根燃料棒)。REMIX是由從乏核燃料中提取的后處理鈾和钚的混合物制成。據Rosatom稱，它的钚含量很低，其中子光譜與普通低濃鈾燃料沒有差別，這意味著它可以在不改變反應堆設計或額外安全措施的情況下引入。

美國公用事業公司南方核電已經同意在2023年之前在Vogtle 2號核電站安裝四套西屋公司的高濃縮燃料長協系統。它們將包括西屋公司的ADOPT顆粒和先進的鉻包鋯合金包層設計。它還將利用四個鉛測試棒，其鈾-235的濃度高達6wt%--比目前許可的濃度高1%。更高的濃縮度將允許更高的燃料燃燒量和更長的加油操作周期。

"南方核電和西屋公司一直是我們事故容忍燃料計劃的巨大合作伙伴，"能源部核能辦公室的核工程師Frank Goldner說。"測試這種高濃縮燃料是部署新燃料技術的一個重要步驟，可以幫助改善我們現有反應堆群的經濟性。"

GNF說，它一直在努力擴大其在北卡羅來納州威爾明頓的燃料制造業務的許可證，以處理更高的濃縮燃料。"與我們的公用事業合作伙伴一起，我們正在努力爭取在未來的某一天裝載更高濃度的燃料組件，最高可達8wt%的鈾235。"

Framatome公司在華盛頓州里奇蘭經營著一個燃料制造廠，它也宣布了其計劃。

作為其先進燃料管理計劃的一部分，到2026年向該行業提供更高濃度、更高燃耗的燃料。Framatome公司目前正在與濃縮商、工廠運營商和NRC合作，將這些技術推向市場，并表示它已接近交付6wt%以上的燃料。

Framatome最近獲得了NRC的批準，可以運輸鈾235濃度高達8wt%的燃料組件，去年NRC接受了對一份專題報告的審查，將其先進代碼和方法應用于5wt%以上的操作條件。

美國最大的核運營商Constellation Energy公司工程和技術服務高級副總裁Scot Greenlee在3月份的NRC監管信息會議上說，它計劃從2024年開始實施ATF。

更長期的概念

在進行這些近期努力的同時，供應商繼續開發和測試長期解決方案，如碳化硅燃料通道和包層、氮化鈾顆粒和金屬燃料。據NRC稱，Framatome和西屋公司正在開發幾種SiC復合包層材料。俄羅斯也在開發更多的長期解決方案。俄羅斯核燃料制造商TVEL的子公司AA Bochvar無機材料研究所(VNIINM)今年宣布，它已經開發了技術，并為輕水反應堆制造了實驗性的二硅化鈾燃料顆粒。

出于政治和經濟方面的原因，對開發事故耐受性燃料的追求--無論是長期還是短期--可能會繼續增加其重要性。在美國之外，例如，擬議的歐盟補充氣候授權法案，預計將從2023年開始適用。它指出，從2025年起，現有和新建項目必須使用ATF。工業界必須監測這種發展，投資和創新，以達到這些目標。