核燃料性能的最新突破！

全世界在核电站仪控（I&C）、无损检测、部件更换和维修，以及核燃料方面取得的重大进展，都有助于当下和计划建设中的反应堆趋向更加的安全、高效和可靠。不过，没有哪个领域能像增强型事故耐受燃料（EATF）的发展那样迅速。EATF设计可使轻水堆（LWR）在冷却剂损失较长时间内仍保持安全，同时也可以在正常运行期间改善燃料性能。

1、提高燃料组件事故耐受性

在通常的核电生产过程中，核燃料组件在平衡温度的冷却系统的管理下承受高温环境，以获得最佳的燃料性能。

如果出现冷却剂损失或失效的情况，就必须采取紧急措施关闭操作。在这一过程中，燃料工程师和制造商一直在探索改进相关材料的工程设计，以提高燃料组件对突发事件的耐受性。

防止放射性物质进入反应堆冷却剂的第一道防线是燃料涂层。

一次反应堆冷却剂与二次冷却剂包含在反应堆容器内，并且完全隔离。提高燃料涂层的事故耐受性的主要做法，是尽可能减少高温氧化和氢气的产生，同时保持甚至改善燃料组件结构的完整性和其他参数的安全范围。

为了应对福岛核电站事故后核能行业的经验反馈和美国能源部（DOE）指示，法马通（Framatome）启动了先进核燃料开发计划，目前有两种EATF设计正在开发和测试中。

2、近期解决方案：铬强化燃料芯块

自1997年以来，欧洲的沸水堆（BWR）和压水堆（PWR）都采用了铬强化燃料芯块。与早期设计相比，这些芯块的颗粒具有更深的结构和更好的粘塑性。

粘塑性是燃料芯块在不同载荷下的力学响应。在铬强化芯块设计中，粘塑性响应进行了改善，可以降低芯块-涂层相互作用（PCI）过程中涂层上产生的应力。

改进的PCI特性提供了更大的操作灵活性，例如负载应变能力。负载应变可以临时降低发电功率，以应对其他电源（如风能和太阳能）的供应波动问题。更深的颗粒结构也可以防止燃料破碎，避免燃料移动和在突发条件下的损坏问题。

法马通的镀铬覆层样品自2016年以来一直在欧洲接受辐照试验，领先于其他的EATF技术。铬涂层可大大减少高温下的氧化，保护覆层免受碎屑损坏，并在发生氧化的情况下显着延迟氢气的积聚产生。

在失水事故试验中，铬涂层膨胀较小，表现十分良好，而且在一定时间内，保持了燃料棒和堆芯的安全状态（形状未发生太大变化）。通过铬强化材料的防护，燃料未发生过大的位移。

这些设计改进中，燃料容量也提高了，意味着燃料组件可以使用更长时间，可以更加有效地利用，将使美国PWR燃料循环时间从18个月延长到24个月。

随着法马通物理气相沉积（PVD）涂层工艺的发展，欧洲和美国正在进行先进涂层的BWR应用。计划于2021年生产第一批美国商用辐照铅测试棒。

3、长期解决方案：碳化硅基涂层和组件

碳化硅可以取代锆合金材料，也不影响燃料效率。同时，可以耐受更高的温度和更高的抗氧化性，显着降低突发事故时氢气的产生。这使得碳化硅复合材料成为EATF涂层以及BWR燃料通道等结构部件的理想候选材料。

长期保护EATF的设计特点是铬强化颗粒和碳化硅基涂层。多层碳化硅这一概念，最初是在法国替代能源和原子能委员会（CEA）于2000年提出的，为第四代反应堆开发设计。

根据法马通-CEA-EDF三方协议，它成为LWR第三代EATF涂层概念。法马通确定了实现碳化硅预期效益的重要技术攻关，并在CEA的支持下，对夹层设计进行了系统性更改，以应对水热腐蚀、密封性和涂层管端部密封等关键技术挑战。

2016年，PWR条件下的第一次辐照试验在瑞士的戈斯根（Gosgen）工厂开始进行。

法马通计划从2020年起，在爱达荷州国家实验室（INL）的先进试验堆（ATR）中对碳化硅燃料棒进行辐照试验，主要目标是证明PWR原型条件下的整体性能。

4、核工业得益于其他工业领域的研究和创新

例如，法马通的PVD涂层工艺是基于工业玻璃和电子制造业对其产品使用的PVD涂层。法马通正在向这个行业学习可扩展版本的涂层工艺和设备。

认识到碳化硅在核燃料工业中加速发展的潜力，法马通与通用原子公司合作，研究碳化硅在BWR燃料通道材料中的应用。

这种燃料通道是正方形，长14英尺，包裹着BWR燃料组件。如果在燃料通道中使用碳化硅先进核燃料设计，将会提高其安全性和燃料性能。

法马通和通用原子公司将测试燃料通道应用的碳化硅材料，以帮助去除BWR燃料设计中40%的锆（Zr）金属，这直接降低了突发事故中产生氢气的风险。这一合作的建立基础，是在通用原子公司为核能工业和国防等其他部门开发和部署先进材料的历史。

5、辐照试验

铬涂层和碳化硅基覆层试验样品在戈斯根进行了三次辐照循环，样品显示出良好的效果。氧化特性大大降低，没有涂层分层的迹象。

在戈斯根进行了一次和两次循环后，又生产更多的样品，目前在瑞士的Paul Scherrer研究所进行进一步的表征和测试。戈斯根是世界上第一个在PWR工况下辐照EATF包层样品的地方，这将支持EATF概念的商业化。

在法马通和CEA实验室也在继续对样品进行广泛的测试，铬涂层技术的发展在过去的十年中预计发展迅猛。

广泛的测试计划已经建立。而且在法马通的EATF概念之外，还有计划和正在进行的堆外试验计划，这些计划将补充辐照试验计划，最终可以建立起全面的材料性能和模型数据库。

2018年6月，在INL先进试验反应堆中，插入了含铬强化颗粒的镀铬小棒进行试验。这些小棒是第一个在PWR工况下进行辐照的完整（涂层和芯块一起）EATF概念棒。总共有26个，在模拟商业LWR冷却剂条件的特殊回路中进行试验。测试结果将用于帮助美国核管理委员会（NRC）鉴定燃料设计。辐照试验后，这些小棒计划在INL的瞬态反应堆试验设施中进行瞬态试验，测试的结果也将有助于NRC鉴定燃料。

6、先进事故耐受控制元件

法马通公司还开发了先进的组件技术，使操作人员能够在操作过程中控制堆芯的核反应和功率水平。

虽然EATF解决方案能够承受更高的温度，并为操作员提供更多的响应时间，但事故耐受控制组件材料性能更优异，允许操作员在更高的温度下控制反应堆。

法马通公司正在独立开发一种事故耐受控制棒（ATCR），使用先进的陶瓷。

这些芯块具有极高的耐温性，并且在至少1600℃的温度范围内不会出现任何共晶（即合金的熔点低于其组分金属）。这些新型材料至少比当前使用的（AIC和B4C）优化了400℃。

反应堆控制系统需要能更好地在正常运行条件以外的情况下保持完全停堆状态，这对燃料的稳定性提出了更高要求，也为应急堆芯冷却系统注入含硼水留出了更多时间。

陶瓷颗粒对正常操作显示出另一个显着的好处：与AIC控制棒相比，随着时间的推移，随着辐射暴露（注量）的增加，溶胀大大减少。

法马通公司的ATCR颗粒的改进性能结果，正在高通量同位素反应堆中进行辐照验证。这种减少的膨胀，允许控制棒在更长的使用寿命内运行，并在功率运行期间插入堆芯，而不会出现膨胀问题。

因此，这些控制棒的更换频率较低，可用于需要动力操纵能力以支持负载应变（即灵活操作）的电厂。