先進(jìn)核燃料的發(fā)展與創(chuàng)新

(中廣核研究院，廣東 深圳 518031)

為了確保核燃料的安全,世界有關(guān)國(guó)家除了不斷優(yōu)化整個(gè)核電站安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)外,也從加強(qiáng)核燃料本身的安全特性出發(fā),不斷探索,不斷研究各種新設(shè)計(jì)、新材料、新工藝。經(jīng)過(guò)多年的努力,壓水堆核燃料技術(shù)得到了很大的發(fā)展,平均卸料燃耗限值從24 GWd/t提高到57 GWd/t以上,燃料棒破損率已從20世紀(jì)70年代10-4水平到目前的10-6水平,循環(huán)長(zhǎng)度從12個(gè)月提升至18個(gè)月以上,能力因子也從70年代的63%提高到目前的90%以上。福島核事故后燃料安全性要求不斷升級(jí),各國(guó)積極開發(fā)各種性能更優(yōu)、安全性更高的新型燃料,并提出了ATF燃料的概念,可以預(yù)見核燃料技術(shù)的發(fā)展將不斷推動(dòng)核安全水平進(jìn)一步提升。

1 當(dāng)前商用壓水堆核燃料技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1.1 包殼材料

高燃耗下的靈活運(yùn)行需求對(duì)燃料棒包殼提出了更為苛刻的要求,是最新研究發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象,比如實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原LOCA準(zhǔn)則在高燃耗下不夠保守,需要更嚴(yán)格考察高燃耗下包殼的塑性行為,為此,世界核電大國(guó)紛紛展開適用于高燃耗需求下的新型鋯合金研制。

合金成分多元化與成分微調(diào)及工藝優(yōu)化相結(jié)合,不斷提升高燃耗下鋯合金的綜合性能是今后一段時(shí)間核燃料包殼的發(fā)展趨勢(shì)。

美國(guó)西屋在優(yōu)化ZIRLO合金的基礎(chǔ)上,通過(guò)進(jìn)一步降低Sn含量,調(diào)整與降低Nb含量,并通過(guò)合金成分多元化,添加Fe、Cu、V等合金元素,并配合進(jìn)行相應(yīng)的工藝優(yōu)化,將AXIOM合金加工成具有部分再結(jié)晶態(tài)或者完全再結(jié)晶退火態(tài)來(lái)不斷提升新型鋯合金的綜合性能,使其關(guān)鍵的耐腐蝕及抗氫化性能得到了較大幅度的提升。法國(guó)在M5合金的基礎(chǔ)上,通過(guò)進(jìn)一步添加了少量的Sn和Fe,形成超低錫四元合金,采用這種合金成分微調(diào)的方式,并通過(guò)工藝優(yōu)化,使Q合金在保持其優(yōu)良耐腐蝕性能的同時(shí),進(jìn)一步提高其抗蠕變性能和機(jī)械性能。從目前AXIOM鋯合金、Q合金的研發(fā)成果看,在低Sn低Nb的Zr-Sn-Nb系合金基礎(chǔ)上添加少量其他合金元素所形成的新型鋯合金,應(yīng)是未來(lái)鋯合金發(fā)展的主要方向和趨勢(shì)。

1.2 燃料芯體

針對(duì)大型商用壓水堆運(yùn)行對(duì)燃料的更高需求,在當(dāng)前商用UO2芯塊的基礎(chǔ)上,未來(lái)壓水堆燃料芯塊的研發(fā)重點(diǎn)主要集中在鈾氧化物體系(二氧化鈾大晶粒改進(jìn)、二氧化鈾摻雜、微胞燃料芯塊)、新型鈾化合物體系(金屬型材料、陶瓷材料)以及全新體系(LB金屬燃料和FCM微膠囊芯塊)等方面。

在大晶粒UO2芯塊方面：與標(biāo)準(zhǔn)晶粒芯塊比較,大晶粒二氧化鈾由于晶粒尺寸增大,能夠有效抑制裂變氣體釋放和腫脹；并且較大的UO2晶粒尺寸能減少芯塊中晶界的熱障數(shù)量從而提高UO2芯塊熱導(dǎo)率。從燃料芯塊制造技術(shù)的發(fā)展來(lái)看,提高芯塊熱導(dǎo)率可以通過(guò)在UO2芯塊中添加高熱導(dǎo)率材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前在西屋公司和阿海琺公司已得到應(yīng)用,西屋公司的摻雜物是Cr2O3+Al2O3(ADOPT芯塊),阿海琺公司的摻雜物是Cr2O3,可以提高晶粒尺寸,控制裂變產(chǎn)物釋放,提高芯塊熱導(dǎo)率,改善PCI效應(yīng),減少事故后破損。

在UO2-SiC混合芯塊方面：在UO2芯塊中摻雜入SiC顆粒或纖維后,可以提升UO2-SiC芯塊的熱導(dǎo)率,降低UO2芯塊中心及平均溫度,提升芯塊在運(yùn)行時(shí)的能量輸出率,減少裂變氣體釋放、降低芯體熱開裂的幾率。目前,UO2-SiC混合芯塊的問(wèn)題在于經(jīng)歷輻照及高溫(1 500 ℃)后,熱導(dǎo)率會(huì)降低。因此,其在堆芯中復(fù)雜嚴(yán)苛條件下的實(shí)際表現(xiàn)還有待進(jìn)一步研究。

從當(dāng)前芯塊技術(shù)發(fā)展看,由于UO2的優(yōu)良特性且成熟,在現(xiàn)有二氧化鈾芯塊基礎(chǔ)上的改進(jìn)優(yōu)化將是未來(lái)至少15～20年內(nèi)燃料芯塊技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的主流。

1.3 燃料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前壓水堆燃料組件主要代表有美國(guó)西屋公司的AP1000燃料組件、法國(guó)阿海琺的AFA 3G系列燃料組件以及俄羅斯的TVS系列燃料組件,除TVS-2 M組件以六角形方式排列外,其他均為正方形排列的棒束型燃料。

近年來(lái),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)主要是圍繞提升燃料組件的可靠性展開,主要包括提高熱工安全裕量、提升燃料防異物能力,降低壓降、提高燃料組件抗事故能力,適應(yīng)高燃耗的要求、提升防鉤掛能力等。例如,AFA 3 G AA(又稱全M5 AFA 3 G)設(shè)置了中間攪混格架(MSMG)提高熱工安全裕量,采用MONOBLOCTM變徑導(dǎo)向管提升燃料組件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,緩解控制棒不完全插入風(fēng)險(xiǎn)等。

西屋公司在RFA/RFA-2的成熟技術(shù)基礎(chǔ)上改進(jìn)的AP1000燃料組件,繼承了RFA/RFA-2的優(yōu)秀設(shè)計(jì),如整體型管座設(shè)計(jì)、設(shè)置保護(hù)格架、首次在14英尺(4.267 2 m)燃料中設(shè)置中間攪混格架(IFM),并采用15個(gè)格架(2個(gè)端部格架,1個(gè)底部保護(hù)格架,8個(gè)攪渾格架,4個(gè)IFM),進(jìn)一步提升熱工水力學(xué)性能,提高安全裕量。采用基于Inconel-718合金的端部格架,在保證堆芯中子經(jīng)濟(jì)性的同時(shí),保證了壽期末對(duì)燃料棒的有效夾持,并采用三重防異物磨蝕措施；格架與導(dǎo)向管的連接采用脹接的方式,減少焊接的缺陷,增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。全鋯合金的攪混格架帶有優(yōu)化性能的攪混翼,添加了中部混流設(shè)計(jì),能促進(jìn)冷卻劑流過(guò)格架時(shí)的攪混效果,提高了組件的熱工水力性能。

GAIA燃料組件是阿海琺公司最新研發(fā)的燃料組件,它吸收了AFA系列及原西門子HTP燃料組件的優(yōu)點(diǎn),如定位格架使用AFA 3 G攪混翼(熱工水力特性好)和HTP彈簧設(shè)計(jì)特征(機(jī)械性能優(yōu)良)；GAIA燃料組件在改進(jìn)抗異物磨蝕能力、增強(qiáng)抗格架—燃料棒振動(dòng)磨蝕能力、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)。GAIA組件的格架中的彈簧為燃料棒提供了八個(gè)方向的線接觸支持,使得格架柵元與燃料棒的夾持更加緊固,提高了抗格架與燃料棒磨蝕性能。更重要的是,GAIA組件采用“二元”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),即包殼與骨架采用不同的新鋯合金材料(M5、Q合金),發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)(M5抗腐蝕性能更好,Q合金抗蠕變性能更強(qiáng))。GAIA燃料組件是阿海琺未來(lái)10～20年力推的主要高性能燃料組件。

由于PWR燃料的攪渾格架(尤其是中間攪渾格架IFM)對(duì)于強(qiáng)化燃料包殼表面?zhèn)鳠岬闹匾?西屋公司已經(jīng)開發(fā)了具有雙層IFM的下一代燃料組件(NGF),可使得熱工安全裕度在現(xiàn)有燃料組件的基礎(chǔ)上再提高10%左右。中廣核研究院也取得類似的發(fā)明專利。這種組件的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的,缺點(diǎn)是流動(dòng)阻力會(huì)有所增加。

1.3.1 環(huán)形燃料

(1)簡(jiǎn)介

環(huán)形燃料由于內(nèi)、外同時(shí)冷卻,是一種新型、高效和安全的燃料元件,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由兩層包殼和環(huán)形芯塊構(gòu)成,冷卻劑可同時(shí)從內(nèi)、外兩個(gè)流道對(duì)燃料元件進(jìn)行冷卻。這種燃料元件能夠提升堆芯功率密度20%～30%以上,并且還能達(dá)到與當(dāng)前主流壓水堆燃料相當(dāng)甚至更高的安全性能。

圖1 環(huán)形燃料結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Annular fuel structure

與實(shí)心燃料相比,環(huán)形燃料在形狀結(jié)構(gòu)上有兩個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)提高功率密度的重要因素：一是縮短了熱傳導(dǎo)的路徑,即減小了燃料芯塊的厚度,從而能夠降低燃料芯塊的最高溫度,提高燃料融化溫度的安全裕量；二是增加了傳熱面積,從而增大了DNBR的安全裕量。

(2)應(yīng)用設(shè)計(jì)

韓國(guó)原子能研究院(KAERI)在環(huán)形燃料方面的研究比較領(lǐng)先,預(yù)計(jì)將其用于現(xiàn)有的OPR-1000壓水堆中并能使得其堆芯功能提高20%,并在不久的將來(lái)可能推出商用的環(huán)形燃料。

中國(guó)原子能科學(xué)研究院也在開展環(huán)形燃料的相關(guān)研究，包括環(huán)形芯塊設(shè)計(jì)，環(huán)形燃料棒設(shè)計(jì)和燃料組件設(shè)計(jì)。環(huán)形燃料走向?qū)嶋H應(yīng)用需克服的主要障礙是鈾裝量的減少和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變化。

法國(guó)原子能總署(CEA)提出了一種可以燒钚的壓水堆燃料組件設(shè)計(jì)(Advanced Plutonium fuel Assembly,APA),其中钚的燃料棒使用環(huán)形燃料棒,而UO2燃料棒還是使用傳統(tǒng)燃料棒。該設(shè)計(jì)由大的裝钚內(nèi)外雙冷卻劑燃料棒和標(biāo)準(zhǔn)的UO2燃料棒組成,其結(jié)構(gòu)如圖2。由于钚燃料棒的雙冷卻劑通道環(huán)形設(shè)計(jì),具有相對(duì)低的溫度,從而減少了裂變氣體的釋放。另外钚燃料棒附近具有更高的局部慢化劑燃料比使得局部中子能譜更軟。法國(guó)通過(guò)對(duì)其中子性能和熱工水力性能分析,發(fā)現(xiàn)該設(shè)計(jì)方案具有可行性。

圖2 APA燃料棒排列示意圖Fig.2 Schematic of APA fuel rod arrangement注：—環(huán)形燃料棒;—標(biāo)準(zhǔn)的二氧化鈾實(shí)心燃料棒;—導(dǎo)向管

1.3.2 Lightbridge金屬燃料

美國(guó)Lightbridge公司開發(fā)了壓水堆金屬型燃料,如圖3所示。金屬型燃料的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)高于UO2陶瓷型芯塊,可使燃料芯塊中心溫度大幅度降低。為了克服金屬燃料的輻照腫脹問(wèn)題,該燃料芯塊部分為鈾鋯合金(U-50Zr),鋯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)近50%。相比于傳統(tǒng)陶瓷UO2芯塊,這種金屬燃料可以減少輻照腫脹數(shù)10倍。裝載這種燃料的燃料棒是一個(gè)獨(dú)特的多葉片螺旋形結(jié)構(gòu),每根燃料棒由中心金屬區(qū)、燃料核心和包殼3個(gè)部分組成。這3個(gè)部分是在制造過(guò)程中一起冶煉及加工成型的,包殼和燃料之間沒(méi)有間隙,相比傳統(tǒng)的燃料棒,它具有更高的機(jī)械強(qiáng)度和的抗彎剛度。

圖3 Lightbridge金屬燃料結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of Lightbridge metal fuel structure

Lightbridge燃料組件能夠極大提升現(xiàn)有反應(yīng)堆輸出功率且安全性更高,采用釷基燃料作為Blanket區(qū)時(shí)還可減少武器級(jí)钚儲(chǔ)存量、降低核擴(kuò)散率。

另外,Lightbridge還提出了全金屬燃料組件(AMF),如圖4所示,AMF可做成方形、六角形燃料組件。

圖4 Lightbridge的全金屬燃料組件(AMF)Fig.4 Lightbridge all-metal fuel assembly (AMF)

Lightbridge燃料組件目前處于設(shè)計(jì)開發(fā)階段,尚無(wú)實(shí)際運(yùn)行反饋,因此只能通過(guò)堆內(nèi)輻照檢驗(yàn)后才能對(duì)其描述性能進(jìn)行進(jìn)一步判斷。目前,Lightbridge已與俄羅斯方面、巴威核能公司(B&W NE)簽訂了相關(guān)合作開發(fā)協(xié)議,預(yù)計(jì)到2017年開始入堆輻照。Lightbridge的PWR金屬燃料組件是對(duì)目前成熟的PWR燃料組件技術(shù)的重大改進(jìn),為后續(xù)PWR燃料組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)和創(chuàng)新提供了新的思路和指導(dǎo)。2018年Framatome與Lightbridge成立了合資公司Enfission Joint Venture，推進(jìn)PWR金屬燃料的商業(yè)化。

2 新一代抗事故燃料ATF

2.1 背景

福島核事故后,加強(qiáng)核電站的安全性和對(duì)嚴(yán)重事故的預(yù)防和緩解成為關(guān)注的重點(diǎn)。美國(guó)于2012年提出了針對(duì)輕水堆燃料和包殼優(yōu)先考慮在事故下提高安全性的要求,提出了抗事故燃料(事故容錯(cuò)燃料,ATF)概念。美國(guó)能源部提出了ATF的研發(fā)計(jì)劃,目標(biāo)是在2020年左右開始進(jìn)行ATF燃料的反應(yīng)堆試驗(yàn)和應(yīng)用。

由于現(xiàn)有UO2-Zr核燃料體系在抵抗嚴(yán)重事故性能方面的不足,ATF包殼材料的發(fā)展方向集中在高溫下與水蒸氣的友好型。目前主要的候選包殼材料有：先進(jìn)不銹鋼(FeCrAl)、難熔金屬(Mo)、陶瓷包殼材料(SiC)、MAX相新型合金、鋯合金涂層或套管。而ATF芯塊的發(fā)展方向集中在包容裂變氣體能力、高熱導(dǎo)率、抗腫脹能力、與水不發(fā)生反應(yīng)等方面,目前主要的候選燃料芯塊材料有：增強(qiáng)型UO2芯塊,FCM燃料、UN燃料、U-Mo燃料等[8]。

2.2 ATF包殼

各國(guó)對(duì)ATF包殼材料的研究集中在鋯合金涂層和替代材料上。

2.2.1 鋯合金涂層

目前在研究的涂層包括金屬涂層(Cr等)、化合物涂層(ZrSi、TiAlN、TiN、TiO2等)、MAX相涂層(Ti2AlC,Zr2AlC等)、SiC涂層。在鋯合金表面覆層方面,美國(guó)在涂層材料選擇、涂層工藝研究、涂層與基體材料的相容性、涂層的堆外性能檢測(cè)等方面開展了一些研究工作,制造出了部分涂層樣品,開展了部分性能檢測(cè),取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。

但已從目前的研究成果看,鋯合金涂層管材要應(yīng)用于ATF,還有以下諸多問(wèn)題待研究,如涂層的材料選擇及制造工藝、涂層的穩(wěn)定性、輻照數(shù)據(jù)等。

2.2.2 SiC陶瓷材料

SiC陶瓷材料因其具有高溫強(qiáng)度高、抗蠕變、耐磨、耐腐蝕、高熱導(dǎo)、中子經(jīng)濟(jì)性好、與水不反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),成為ATF重點(diǎn)關(guān)注的包殼材料之一。

由SiC纖維及SiC基體材料組成的SiC復(fù)合編織材料,即SiC CMC(Ceramic Matrix Composite),是SiC包殼的基礎(chǔ)。在SiC CMC內(nèi)層增加一層高純度beta相的單體SiC層就形成雙層SiC包殼結(jié)構(gòu)。beta相的單體SiC層具有良好的中子特性、高溫特性和導(dǎo)熱性,而SiC CMC進(jìn)一步提供強(qiáng)度和韌性。

目前多層SiC設(shè)計(jì)是較為主流的碳化硅包殼研發(fā)方案,包括雙層SiC結(jié)構(gòu)、三層SiC結(jié)構(gòu)、SiC+Zr合金混合結(jié)構(gòu)。典型的多層SiC包殼結(jié)構(gòu)由三層組成,即連續(xù)纖維陶瓷復(fù)合材料(Continuous Fiber Ceramic Composites,CFCC),如圖5所示,最內(nèi)層是防止裂變氣體擴(kuò)散的高純度beta相的單體SiC層,中間層為連續(xù)beta相SiC復(fù)合纖維材料,最外層為化學(xué)沉積的很薄的超細(xì)晶粒單質(zhì)SiC涂層,以提供密封性并包容裂變氣體。CFCC是目前被認(rèn)為比較有前景的SiC制作壓水堆包殼管的可行方案之一。

圖5 三層SiC包殼管橫截面結(jié)構(gòu)Fig.5 Cross-section of three-layer SiC cladding tube

雖然SiC包殼材料具有很多優(yōu)勢(shì),然而當(dāng)前SiC材料要達(dá)到商用程度,仍然需要解決很多技術(shù)問(wèn)題,包括焊接加工問(wèn)題、經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題、輻照參數(shù)問(wèn)題和安全審評(píng)問(wèn)題,等。

2.2.3 高溫難熔金屬包殼材料

金屬鉬(Mo)的熔點(diǎn)高達(dá)2 623 ℃,具有良好的力學(xué)及熱物理等綜合性能,極好的高溫強(qiáng)度,良好的抗疲勞和抗沖擊性能,且鉬還具有良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能,鉬的熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低,在高溫下具有良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性。

雖然鉬合金有上述優(yōu)點(diǎn),但是鉬合金也存在一些不足之處：

1)95Mo熱中子吸收截面相對(duì)較高;2)鉬在大于500 ℃時(shí)易于與氧或水蒸氣發(fā)生氧化,耐高溫氧化性能不足;3)鉬合金易脆,加工難度大。

針對(duì)鉬合金耐高溫氧化性能的不足,EPRI提出了基于鉬合金的多層結(jié)構(gòu)及鉬合金表面涂層的解決方案,中間層為母合金,內(nèi)外有涂層,以增強(qiáng)抗高溫氧化性能。

從目前研究看,要將鉬合金用于ATF,仍然需要解決很多技術(shù)問(wèn)題,包括鉬合金的薄管加工問(wèn)題。

2.2.4 MAX相新型包殼

MAX相材料以其具有與陶瓷類似的耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度等優(yōu)良性能,又具有與金屬材料相似的高導(dǎo)電、高熱導(dǎo)、易加工、良好的塑性等優(yōu)點(diǎn),而且近期的研究表明MAX相還具備良好的耐輻照損傷性能。所以近年來(lái)MAX相材料得到了核工業(yè)界的廣泛重視。在第4代快堆、超臨界水堆、第5代聚變—裂變混合堆結(jié)構(gòu)材料研發(fā)的大背景下,許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)MAX相材料的加工成型工藝、材料的堆外性能、耐輻照性能(以離子輻照方式開展)進(jìn)行了初步研究,取得了一些積極的成果。

在MAX相結(jié)構(gòu)體中,Ti3SiC2是研究最多的、性能已知的典型材料,Ti3SiC2不僅在高溫狀態(tài)下仍保持高強(qiáng)度等優(yōu)良性能,又具有金屬材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、易加工、良好的塑性,而且與SiCf/SiC相比,具有制造成本低,可連接性好(MAX相三元陶瓷材料可以利用其A位原子相對(duì)高的擴(kuò)散系數(shù),通過(guò)溫度場(chǎng)或者電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)無(wú)焊料情況下自身的連接),加之低活化特性以及可能的高抗輻照特性,使其有望成為新一代壓水堆ATF包殼候選材料之一。

2.2.5 FeCrAl ODS合金

新型FeCrAl ODS合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能、其高溫強(qiáng)度好,具有比鋯合金更高的強(qiáng)度和韌性,且具有極好的機(jī)加工性能和焊接性能,還具有很好的耐高溫水蒸氣腐蝕性能,是一種極富應(yīng)用前景的壓水堆燃料棒包殼材料。

ODS合金(Oxide Dispersion Strengthen)是在合金基體中均勻加入具有較高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的氧化物顆粒,如Y2O3和Al2O3等,這些數(shù)量巨大且穩(wěn)定的彌散相結(jié)合高密度位錯(cuò),可以將He俘獲在微細(xì)尺寸的氦泡中,達(dá)到避免氦脹和保護(hù)晶界的目的,可以大大提高合金的高溫力學(xué)性能,有效提高鐵素體/馬氏體不銹鋼的高溫蠕變性能。FeCrAl ODS合金就是目前比較有前景的一類合金。

2.3 ATF芯塊

ATF芯塊預(yù)計(jì)會(huì)采用全新體系以克服UO2-Zr燃料體系的固有安全缺陷,全新體系的燃料芯塊會(huì)徹底拋棄了現(xiàn)有的UO2-Zr燃料體系,甚至?xí)仐塙O2材料本身。ATF芯塊采用全新的芯塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免了材料的輻照腫脹、與冷卻劑反應(yīng)等方面的缺陷。具有代表性的主要有很多研究單位正在開發(fā)的FCM微膠囊芯塊、UN芯塊、U-Mo芯塊等。

2.3.1 FCM燃料

全陶瓷微密封(FCM)燃料是基于高溫氣冷堆使用的TRISO燃料發(fā)展得來(lái)的,它在芯塊結(jié)構(gòu)上增加了多層防御屏障設(shè)計(jì),提高了芯塊的安全裕量,它是ATF元件的潛在可選芯塊[6][9]。TRISO燃料已有數(shù)十年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),技術(shù)成熟度很高,因此,FCM芯塊有較好的可行性。TRISO燃料顆粒由內(nèi)核部分和包覆層兩部分組成,其中內(nèi)核為球形UO2或UN燃料核芯,包覆層由內(nèi)向外依次為疏松熱解碳緩沖層(Buffer層),內(nèi)部致密熱解碳層(IPyC層),碳化硅層(SiC層)和外部致密熱解碳層(OPyC層)。圖6為裝有FCM的燃料芯塊的截面圖。

2.3.2 UN燃料/UN-U3Si2復(fù)合燃料

UN燃料最早被期望用于太空核反應(yīng)堆,有一定的研究基礎(chǔ),它是ATF(UN-USiy)和快堆燃料(U-Pu-N)的重要候選之一。UN燃料具有高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率和高鈾密度等優(yōu)點(diǎn),有利于改善芯塊傳熱能力和提高鈾裝量,在提高燃料循環(huán)長(zhǎng)度方面具有潛力,并能有效降低芯塊運(yùn)行溫度。降低運(yùn)行溫度和芯塊內(nèi)外溫差對(duì)減少燃料輻照腫脹、裂變氣體釋放、芯塊熱應(yīng)力及PCI效應(yīng)等非常有利。

UN燃料由于防水性能差,目前一般考慮將UN和U3Si2或U3Si5混合制備成復(fù)合燃料,以改善UN的防水性能,其中U3Si2的鈾密度高于UO2,熱導(dǎo)率很高(但低于UN),與水的相容性好,輻照性能優(yōu)秀(輻照腫脹、裂變氣體釋放等),與UN混合制備成復(fù)合燃料后,可以在不降低其他性能的前提下、提升燃料的防水性能。

2.3.3 U-Mo金屬燃料

除U-Zr金屬燃料外,還有U-Mo型金屬燃料。U-Mo金屬燃料的鈾密度高、γ相穩(wěn)定、輻照性能優(yōu)良、后處理簡(jiǎn)單。最初U-Mo的提出是用于研究堆,使用U-Mo可以降低研究堆中U的富集度,有助于核不擴(kuò)散,在ATF概念提出后,U-Mo燃料由于其出色的特性,而成為ATF的備選燃料之一。

美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)設(shè)計(jì)了U-Mo三層共擠壓金屬燃料,如圖7,芯塊主體為空心圓柱狀U-10 Mo合金燃料(Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%),最外層為包殼,在包殼與空心金屬燃料之間有緩沖金屬層,初步設(shè)計(jì)該層為含Al、Cr或Nb的合金。

圖7 U-Mo金屬燃料概念示意圖Fig.7 Schematic of U-Mo metal fuel concept

2.3.4 Micro-cell UO2

Micro-cell UO2的微觀結(jié)構(gòu)類似蜂窩狀,每個(gè)晶粒之間都有類似植物細(xì)胞的細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu),整體構(gòu)成蜂窩狀,如圖8。Micro-cell UO2具有更好的包容裂變產(chǎn)物的能力。同時(shí),該類芯塊還具備摻雜的可能：摻雜了Cr2O3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%)的該類芯塊,不僅可以降低UO2芯塊的熱膨脹性,改善導(dǎo)熱性；摻雜W的該類芯塊,可以降低芯塊的制造難度、增加芯塊的熱導(dǎo)率。

Micro-cell芯塊目前主要由韓國(guó)方面開發(fā)、研究,作為ATF的備選之一。

圖8 Micro-cell UO2結(jié)構(gòu)Fig.8 Micro-cell UO2 structure

2.4 ATF結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于到目前為止,ATF燃料的包殼、芯體材料等都還處于探索之中,目前還未見到完全意義上的ATF概念已經(jīng)定型的燃料組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。但有理由相信,作為中期目標(biāo)或者改進(jìn)型產(chǎn)品,基于鋯合金包殼涂層的改進(jìn)型包殼或復(fù)合包殼,以及基于UO2摻雜改進(jìn)的燃料芯體的新型燃料組件等,仍將沿用目前主流的17X17燃料組件結(jié)構(gòu)形式。也不排除采用與某些與堆內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兼容的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)(如13X13結(jié)構(gòu))。遠(yuǎn)期而言,在ATF燃料成熟之后可以發(fā)展為獨(dú)立的燃料用于新型反應(yīng)堆的設(shè)計(jì),如小型堆或新型快堆。若燃料235U富集度可以突破,也可以適應(yīng)于目前的17X17燃料組件結(jié)構(gòu)形式,但棒束定位系統(tǒng)可以大大簡(jiǎn)化。

2.5 ATF的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

福島事故后ATF的概念被提出是核燃料發(fā)展的一種機(jī)遇。由中廣核牽頭的國(guó)家能源局的ATF研究項(xiàng)目正在推進(jìn)之中。ATF在很大程度上有別于現(xiàn)有的大型商用堆核燃料,既具有很強(qiáng)的革新性,也面臨著眾多挑戰(zhàn)和困難。ATF的包殼、芯塊候選材料很多,每種候選材料都各有優(yōu)缺點(diǎn),但要達(dá)到商用程度還有很長(zhǎng)的路要走,需要解決很多技術(shù)難題以及很長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)/考驗(yàn)研究,這就要求相關(guān)機(jī)構(gòu)能長(zhǎng)時(shí)間投入大量的人力、物力、財(cái)力,持續(xù)的努力,并且能否研究成功、能否經(jīng)受住世界范圍核電站的檢驗(yàn)、能否被成功選型,需要時(shí)間的考驗(yàn)。

ATF代表了將來(lái)水堆核燃料技術(shù)發(fā)展的一種技術(shù)變革方向,它的成功無(wú)疑會(huì)使核能更加安全、可靠。

3 結(jié) 論

本文介紹了當(dāng)前商用壓水堆核燃料技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),重點(diǎn)分析了ATF燃料的發(fā)展趨勢(shì)。

本文從核燃料的安全性和可靠性要求將越來(lái)越高的角度,介紹了AFA 3 G AA燃料組件、AP1000燃料組件、GAIA燃料組件、TVS系列組件,重點(diǎn)描述了它們?cè)谠O(shè)計(jì)上有關(guān)加強(qiáng)燃料可靠性及提高性能的設(shè)計(jì)；新型燃料方面,介紹了環(huán)形燃料、Lightbridge金屬燃料,這兩種新型燃料設(shè)計(jì)可以使燃料中的熱交換更方便,有利于降低燃料棒溫度,使燃料棒安全裕量更高。

本文從包殼、芯塊兩個(gè)方面,介紹了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外ATF燃料的技術(shù)發(fā)展情況,以及所面臨的挑戰(zhàn)和困難。ATF包殼方面,介紹了幾個(gè)熱門候選材料,即鋯合金包殼涂層、SiC陶瓷包殼、復(fù)合包殼、高溫難熔金屬包殼、MAX相包殼、FeCrAl ODS合金包殼,描述了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)；ATF燃料芯塊方面,介紹了FCM燃料、UN/UN-U3Si2燃料、U-Mo燃料、Micro-cell UO2燃料,描述了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

從世界范圍內(nèi)看,核燃料技術(shù)在不斷發(fā)展,技術(shù)發(fā)展的首要方向就是要使核燃料更加安全、可靠,具備承受重大事故的能力,讓福島核事故不會(huì)重演。新型核燃料是否能走向市場(chǎng)應(yīng)用需要綜合考慮安全性、可靠性、技術(shù)成熟度和經(jīng)濟(jì)性。國(guó)內(nèi)核燃料技術(shù)雖然起步較晚,但乘改革開放之東風(fēng)、正迎頭而上,努力追趕國(guó)際先進(jìn)核燃料技術(shù),推進(jìn)我國(guó)的核燃料持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展。