耐事故燃料被認為提供了安全和經濟效益。盡管目前正在開發的一些設計正在改進，但很明顯，進展非常順利。

1、耐事故核燃料情況

包覆鋯合金管的氧化鈾燃料芯塊的基本組件設計，仍然是絕大多數商業核電站的首選燃料。

全世界對耐事故燃料(ATF)的開發和部署越來越感興趣，ATF包括應用在更廣泛的通用先進技術燃料設計中。ATF為正在考慮的許多設計的核反應堆提供了安全和經濟效益。這種燃料可以定義：

與目前的UO2鋯合金燃料系統相比，在反應堆堆芯發生嚴重事故情況下，可在長時間內保持安全性;

可以在正常運行和運行瞬態期間保持或改善燃料性能;

與核燃料循環的所有方面兼容(運輸、儲存和在封閉燃料循環中的可能使用)。

ATF主要涉及新的包殼和燃料芯塊設計，以提高核燃料的性能和嚴重事故響應時間。

ATF利用了其他類新材料，減少了氫的積累，提高了裂變產物的保留率，并且在結構上更耐輻射、腐蝕和更高的溫度。

此外，預計它們的使用壽命將比目前的燃料設計更長，并可能將壓水堆的換料間隔時間從1.5年延長到2年。這將減少所需燃料組件的數量，從而減少廢物產生并降低燃料成本。

未來十年內，在現有的輕水反應堆和基于輕水反應堆的小型模塊化反應堆(SMR)設計中，對于那些足夠成熟的技術，可以開始燃料鑒定并實現近期部署，這些技術被稱為“進化型耐事故燃料(eATF)”。

基于增強包層、改性氧化鈾燃料(包括摻雜劑)和提高濃縮度等特征，有許多設計和概念可以被稱為eATF。

目前已經進行了大量的研究和開發，以支持將eATF引入商業核反應堆，作為一系列測試計劃的一部分，首批eATF將于2021年投入使用。

這些測試支持反應堆堆芯運行的經濟和安全情況，并提供初步信息，以預測與傳統動力反應堆燃料相比對燃料循環后端的潛在影響，包括在儲存、運輸、再處理和回收以及處置過程中。

2、ATF研究起源

地圖顯示了來自不同供應商的ATF燃料項目和不同類型的先進燃料(圖源：Nicolas Waeckel)

在過去的40年里，核燃料領域一直在不斷發展，并已達到可以在商業核反應堆中安全可靠地輻照高達65GWd/tU的階段。

在此期間，對原始設計和材料進行了許多改進，但包覆鋯合金管的氧化鈾(UO2)燃料芯塊的基本設計，仍然是絕大多數商業核電站的首選燃料。

然而，嚴重的事故，如1979年美國三里島核事故和2011年日本福島第一核電站事故，均表明，在發生事故的極端條件下，核燃料很容易失效。

在某些情況下，鋯合金和水在高溫環境中發生反應，有氫氣產生，并有可能發生爆炸。

2011年，東日本大地震引發的地震和海嘯，嚴重破壞了福島第一核電站，反應堆立即關閉，但燃料中的裂變產物繼續釋放衰變熱。

燃料組件包殼中的鋯合金，在比正常工作溫度高幾百度的溫度下迅速氧化，導致燃料棒解體和包殼快速腐蝕。

這一過程釋放出氫氣，引發爆炸，進一步損壞了工廠。

這場災難促使研究人員開始開發耐事故燃料解決方案，該解決方案主要目的，是在冷卻劑喪失事故(LOCA)發生后，主動冷卻之前，對事故核電站有更多的搶救時間。或者更好的是，能夠無限期地承受衰變熱和冷卻不足所產生的持續高溫，從而防止或延遲事故期間放射性核素的釋放。

在美國、俄羅斯、法國、英國、韓國、日本和中國等主要核能大國，立即開展了關注燃料芯塊和包殼的設計，以及兩者之間相互作用的研究。

這項研究得到了國際原子能機構(IAEA)和經合組織核能機構(NEA)等國際機構的支持。

3、ATF和IAEA

ATF主要涉及新的包殼和燃料芯塊設計，以提高性能和事故響應時間。

自20世紀80年代以來，早在福島事故發生之前，IAEA就一直支持成員國在燃料開發方面的國際合作。包括在協調研究項目(CRP)的框架內，努力提高用于預測燃料行為的計算機能力。

然而，福島核事故表明，需要對燃料性能的各個方面進行充分分析，以防止發生故障，同時預測事故中的燃料行為，還需要測試和模擬ATF的行為。

IAEA通過技術會議、咨詢會議和CRP活動開展工作。福島核事故發生后，組織了兩次CRP，重點關注核燃料和ATF在設計基礎上的建模和測試以及嚴重事故。

第一份關于“事故工況下燃料建模(FUMAC)”的CRP(2014-2018年)，旨在通過確定不同成員國使用的相關物理模型和計算機應用最佳實踐，以及提高其預測能力，更好地了解事故工況下的燃料行為。

CRP中對事故模擬實驗的結果，及其與先進燃料性能的分析進行了仔細檢查，并于2019年在IAEA的技術文件中公布了結果。

關于“提高耐事故容限的燃料(ACTOF)的選項分析和實驗檢查”的第二份CRP(2015-2019)，涉及通過先進技術燃料類型和包殼材料的實驗獲取數據。

它還研究了建模能力的發展，以預測部件的行為和ATF設計在正常和瞬態條件下的整體性能，并試圖證明在嚴重事故條件下的改進。

這些結果發表在2020年IAEA的一份技術文件中。

根據2019年5月IAEA關于設計基準事故和設計擴展條件下燃料行為建模的技術會議的建議，新的ATF測試和模擬CRP于2021年啟動，目前正在進行中。

它包括一組實驗，一些參與者向幾個實驗室提供樣本。實驗提供了一組新的ATF數據。結果將于2024年公布。

本CRP旨在解決影響當前運行和創新的動力反應堆核燃料和材料的設計、制造和堆內性能的因素，并提高技術準備程度。目標包括：

對ATF在正常、設計基礎(DB)和設計擴展(DE)條件下的性能進行實驗測試，包括單桿和管束測試;

根據CRP期間獲得的新測試數據或成員國實驗計劃中與先進燃料和包殼概念相關的現有數據，對燃料進行基準測試;

開發ATF性能的LOCA評估方法，以期核電站應用;

研究在核電站中使用ATF燃料的部分方法，并開發一個關于ATF主題的開源庫。

4、ATF開發進展

事故耐受燃料組件首次裝入美國反應堆，已安裝在美國伊利諾伊州的克林頓沸水堆發電廠。

法國電力公司(EDF)的前雇員尼古拉·瓦克勒博士在ATF開發方面工作了多年，他表示：“福島核事故發生后，我們就開始與美國能源部一起研究ATF，參加了IAEA和OECD的專家組。”

他補充道：“我負責制定一個新的安全標準來鑒定這種新型燃料。當開發一種新型燃料時，不能應用當前的標準，必須制定新的標準，一種驗證材料的新方法……甚至可能改變對一種與當前燃料截然不同的燃料的安全性的思考方式。”

自2012年以來，美國能源部通過其增強型事故容忍燃料(EATF)計劃支持ATF概念的開發。能源部目前正在資助法國法馬通公司、通用電氣日立公司和西屋公司的研究。

TVEL的事故耐受燃料組件(圖片：TVEL)

俄羅斯目前還在羅斯托夫核電站2號機組測試其TVS-2M ATF。

瓦克勒指出，美國能源部獲得了國會的資助，用于開發更安全的燃料，“因此所有的燃料制造商和研究人員都非常努力地進行開發”。

甚至在福島核事故發生之前，許多實驗室和制造商“就在壁櫥里的貨架上放著一些正在開發但處于待命狀態的外來燃料，他說，“然而，當時沒有需求，也沒有真正的必要將這種燃料放入反應堆，因為目前的燃料表現得很好。”

他補充道：“15年前發展核工業的人都很優秀，他們從錯誤和一些糟糕的經歷中學到了很多，所以現在我們已經實現了非常好的優化。”

瓦克勒認為，這就是為什么燃料概念沒有改變的原因。“現在，突然之間，因為日本福島，也因為美國能源部有拯救世界的偉大想法，我們正在考慮改變。”

他說，開發ATF的設計人員在事故中的表現和行為都有所提高，“但我們意識到有些在短期內是無法實現的”。

因此，現在的重點是其他方面——包殼、燃料循環優化——更長的循環和更高的燃耗。

瓦克勒說：“這可能會引起運營商的一些興趣……提高工廠的經濟性——這就是發電廠。”

在各種燃料供應商提出的ATF的多種變體中(見圖1)，就其技術準備水平而言，有兩大類燃料，這與開發、鑒定和許可概念所需的時間和精力有關。這些是：

短期進化概念，例如涂層鋯基覆層;不銹鋼覆層(如FeCrAl);高密度燃料(如U3Si2)和摻雜燃料芯塊(如鉻摻雜);

長期改進概念，如耐火覆層(如襯鉬)、碳化硅(SiC)覆層;微電池燃料;微膠囊燃料芯塊概念;氮化鈾燃料。

先進燃料的關鍵要求，涉及堆內燃料性能、包殼性能以及與所有系統約束的兼容性。

5、未來愿景

帶有Encore ATF鉛測試棒的燃料組件(圖片：西屋公司)

瓦克勒強調，就其設計而言，開發新型燃料是一個長期目標。

“把新燃料放進反應堆不像把新應用程序放在手機上。如果應用程序不起作用，你就把它卸載了，手機仍然安全。但如果你把錯誤的燃料放進了反應堆中，對每個人來說都可能是一場噩夢。所以，我們必須非常謹慎，非常小心，考慮可能發生的一切。世界上沒有運營商想經歷這種糟糕的驚喜。”

然而，這種謹慎并不一定是消極的。他說：“對我來說，這一切都是非常積極的，因為它激勵了所有的實驗室、所有的研究人員，尤其是年輕一代。他們看到了開發這種新型燃料的未來愿景。”

一些項目非常奇特，與標準燃料完全不同，而另一些項目則非常相似，只是帶有新型涂層的燃料。作為測試和鑒定過程的一部分，其中一些進化燃料已經在接受輻照。

然而，瓦克勒提醒說，這些改進燃料的最終進展是有限的。

他說：“這其中的標準是事故處理的寬限期——我們將多獲得幾分鐘的時間。這不是工作規則的改變。這是一個小變化。這是真正的耐事故燃料嗎?不是的，這是一種改進。”

最后，瓦克勒說：“我要表達的主要內容是，核工業的發展始終是積極的，因為我們在所有領域都在取得進展——在研究、調查技術、測量技術和建模方面，所有這些改進對整個核工業都非常有益。因此，即使產品本身不是一個神奇的答案或神奇的解決方案，它也是年輕一代思考安全、建模、高級建模和高級研究的平臺。”

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