先进燃料研发成核能技术新“竞技场”

北极星核电网讯:英国国家核实验室日前发布的《燃料净零：清洁能源未来的先进燃料循环路线图》称，英国必须开发先进核燃料及燃料循环技术，才能实现清洁能源目标。美国南方核运营公司核燃料供应部门负责人近日也透露，其正在研发更高丰度和更高燃耗水平的事故容错燃料（ATF），最早在2026年秋季将沃格特勒核电厂1、2号机组的换料周期从18个月延长至24个月。

作为我国能源结构低碳转型的重要组成部分，核电要发挥优势并实现安全、高效运行，扮演“能量来源”角色的核燃料性能至关重要，也正因如此，先进核燃料正成为各国在先进核能技术研发领域新的竞技焦点。

核燃料性能提升路线已明确

先进核燃料研发的重要性，在我国“十三五”期间发布的《能源技术革命创新行动（2016—2030）》（以下简称《创新行动》）中已有体现。

这份由国家发改委、国家能源局于2016年3月发布的文件，在“先进核能技术创新”领域提出，要实现自主先进核燃料元件的示范应用，推进事故容错燃料元件（ATF）、环形燃料元件的辐照考验和商业运行，并具备国际领先核燃料研发设计能力。

ATF的主要特征是通过材料和设计改进，降低在事故工况下核燃料熔化的风险，由于在设计上考虑了与现役轻水堆机组的匹配，成为各国目前重点推进的研究方向之一。2019年2月，我国首次实现ATF燃料堆内辐照：中广核自主研发设计的S2FPI-A型ATF小棒载入研究堆，开始辐照试验，以此获得燃料在反应堆内的辐照数据，为后期先导棒入堆等工作提供支撑。记者了解到，美国、俄罗斯计划将于2025年前后进行ATF组件的商业化应用。

此外，另一种革新性燃料——环形燃料元件具有换热效率大幅提升的显著优势。资料显示，在维持现有安全裕度不变的前提下，环形燃料相比传统燃料，堆芯输出功率可以提升20%—50%。今年5月，中核北方压水堆核燃料生产线下线了本年度首个环形燃料实验组件模拟件。

根据《创新行动》要求，到2030年，我国要实现ATF先导棒/先导组件商用堆辐照考验，初步实现环形元件在压水堆核电站商业运行；钚铀氧化物混合燃料（MOX）组件批量化生产管理技术达到国际先进水平，快堆金属元件具备规模化应用条件。

“事故容错”燃料仍待突破

作为先进核燃料的发展方向之一，ATF近年来一直是各国竞相发力的技术研发路线。但据记者了解，目前各国的ATF想达到真正意义上的“事故容错”，还有很长的路要走。

“客观上讲，我国在先进核燃料研发方面，比其他国家起步较晚，研发进度处于追赶状态。”一位核电行业专家直言，“实际上，真正意义上的ATF需要对燃料芯块做颠覆性改变，目前很多国家离这个突破都有一段距离。”

公开信息显示，今年2月，法玛通公司的GAIA增强型事故容错燃料（EATF）先导组件完成了18个月燃料循环。据了解，这种燃料组件采用铬增强型燃料芯块包覆M5锆合金包壳以及铬涂层，提高了燃料的抗氧化性能和抗磨损性能，由此减少了核电站正常运行过程中发生燃料故障的可能性，同时可提高电厂运行效率。

2019年春季，西屋电气研发的ATF产品EnCore燃料在美国拜伦核电站2号机完成安装。该燃料由带铬涂层的包壳管内填充硅化铀芯块而成，具有较常规燃料更高的密度和导热性。据了解，该燃料仅对当前使用的西屋包壳燃料进行增量更改，兼顾了燃料性能的提升和可用性。

上述专家解释，现有核燃料组件的包壳采用锆合金材料，而根据业内先进理论，可以用碳化硅材料完全替代锆合金，以大幅提升燃料组件耐事故的能力。“单从工艺上看，把碳化硅加工成核燃料包壳管材的难度非常大。目前西屋等公司仍处于材料相关的基础研究阶段。”

该专家认为，目前各国对ATF的研发与应用基本处于第一阶段，即在燃料芯块制备时加入其它成分提高导热性能，无论是反应堆正常工况下运行时的效率，还是发生事故时的快速散热能力，都能有所提升。“而碳化硅材料等应用可以视作ATF研发的第二阶段，目前各国想要在2030年前突破到第二阶段，还存在困难。”

新燃料或增加“出海”砝码

作为核电机组的能量来源和第一道安全屏障，核燃料的性能直接反映了一个国家核能技术的竞争力。

“核燃料组件是核电站提升反应堆安全性、经济性的重要环节，而出于提升我国核电品牌竞争力以及核电‘走出去’等考虑，近年来我国核燃料组件研究重点更多放在了实现自主化方面。”上述专家坦言。

据了解，我国目前已成功研发的三代核电技术华龙一号、国和一号，除反应堆实现自主化外，燃料组件也已实现自主化突破。公开信息显示，华龙一号CF系列燃料组件体系已形成，解决了燃料组件出口受限问题，满足国内二代改进型核电、华龙一号及出口核电项目需求；国和一号自主化先进核燃料定型组件也已经研制成功。

那么，各国在新型燃料组件研发应用上的差距，是否会影响到核电“订单”的竞争格局？

接受记者采访的业内人士认为，正是由于现阶段的ATF等新型燃料还没有实现颠覆性的改变，相比之下核电项目招标的整体造价等，仍是现阶段影响核电项目招标的主要因素。“目前，ATF对于效率和安全性的提升更多是一种‘锦上添花’，还不足以左右项目竞标。但是一旦哪家公司短期内能突破到第二阶段，掌握碳化硅包壳组件等颠覆性的技术，这种先进的燃料组件就可能转而成为主要因素，大幅提升项目竞标中的竞争力。”