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| 核燃料性能的最新突破 |
| 來源：嘿嘿能源heypower 時間：2021/3/10 |
全世界在核電站儀控（I&C）、無損檢測、部件更換和維修，以及核燃料方面取得的重大進展，都有助于當下和計劃建設中的反應堆趨向更加的安全、高效和可靠。不過，沒有哪個領域能像增強型事故耐受燃料（EATF）的發展那樣迅速。EATF設計可使輕水堆（LWR）在冷卻劑損失較長時間內仍保持安全，同時也可以在正常運行期間改善燃料性能。
1、提高燃料組件事故耐受性
在通常的核電生產過程中，核燃料組件在平衡溫度的冷卻系統的管理下承受高溫環境，以獲得最佳的燃料性能。
如果出現冷卻劑損失或失效的情況，就必須采取緊急措施關閉操作。在這一過程中，燃料工程師和制造商一直在探索改進相關材料的工程設計，以提高燃料組件對突發事件的耐受性。
防止放射性物質進入反應堆冷卻劑的第一道防線是燃料涂層。
一次反應堆冷卻劑與二次冷卻劑包含在反應堆容器內，并且完全隔離。提高燃料涂層的事故耐受性的主要做法，是盡可能減少高溫氧化和氫氣的產生，同時保持甚至改善燃料組件結構的完整性和其他參數的安全范圍。
為了應對福島核電站事故后核能行業的經驗反饋和美國能源部（DOE）指示，法馬通（Framatome）啟動了先進核燃料開發計劃，目前有兩種EATF設計正在開發和測試中。
2、近期解決方案：鉻強化燃料芯塊
自1997年以來，歐洲的沸水堆（BWR）和壓水堆（PWR）都采用了鉻強化燃料芯塊。與早期設計相比，這些芯塊的顆粒具有更深的結構和更好的粘塑性。
粘塑性是燃料芯塊在不同載荷下的力學響應。在鉻強化芯塊設計中，粘塑性響應進行了改善，可以降低芯塊-涂層相互作用（PCI）過程中涂層上產生的應力。
改進的PCI特性提供了更大的操作靈活性，例如負載應變能力。負載應變可以臨時降低發電功率，以應對其他電源（如風能和太陽能）的供應波動問題。更深的顆粒結構也可以防止燃料破碎，避免燃料移動和在突發條件下的損壞問題。
法馬通的鍍鉻覆層樣品自2016年以來一直在歐洲接受輻照試驗，領先于其他的EATF技術。鉻涂層可大大減少高溫下的氧化，保護覆層免受碎屑損壞，并在發生氧化的情況下顯著延遲氫氣的積聚產生。
在失水事故試驗中，鉻涂層膨脹較小，表現十分良好，而且在一定時間內，保持了燃料棒和堆芯的安全狀態（形狀未發生太大變化）。通過鉻強化材料的防護，燃料未發生過大的位移。
這些設計改進中，燃料容量也提高了，意味著燃料組件可以使用更長時間，可以更加有效地利用，將使美國PWR燃料循環時間從18個月延長到24個月。
隨著法馬通物理氣相沉積（PVD）涂層工藝的發展，歐洲和美國正在進行先進涂層的BWR應用。計劃于2021年生產第一批美國商用輻照鉛測試棒。
3、長期解決方案：碳化硅基涂層和組件
碳化硅可以取代鋯合金材料，也不影響燃料效率。同時，可以耐受更高的溫度和更高的抗氧化性，顯著降低突發事故時氫氣的產生。這使得碳化硅復合材料成為EATF涂層以及BWR燃料通道等結構部件的理想候選材料。
長期保護EATF的設計特點是鉻強化顆粒和碳化硅基涂層。多層碳化硅這一概念，最初是在法國替代能源和原子能委員會（CEA）于2000年提出的，為第四代反應堆開發設計。
根據法馬通-CEA-EDF三方協議，它成為LWR第三代EATF涂層概念。法馬通確定了實現碳化硅預期效益的重要技術攻關，并在CEA的支持下，對夾層設計進行了系統性更改，以應對水熱腐蝕、密封性和涂層管端部密封等關鍵技術挑戰。
2016年，PWR條件下的第一次輻照試驗在瑞士的戈斯根（Gosgen）工廠開始進行。
法馬通計劃從2020年起，在愛達荷州國家實驗室（INL）的先進試驗堆（ATR）中對碳化硅燃料棒進行輻照試驗，主要目標是證明PWR原型條件下的整體性能。
4、核工業得益于其他工業領域的研究和創新
例如，法馬通的PVD涂層工藝是基于工業玻璃和電子制造業對其產品使用的PVD涂層。法馬通正在向這個行業學習可擴展版本的涂層工藝和設備。
認識到碳化硅在核燃料工業中加速發展的潛力，法馬通與通用原子公司合作，研究碳化硅在BWR燃料通道材料中的應用。
這種燃料通道是正方形，長14英尺，包裹著BWR燃料組件。如果在燃料通道中使用碳化硅先進核燃料設計，將會提高其安全性和燃料性能。
法馬通和通用原子公司將測試燃料通道應用的碳化硅材料，以幫助去除BWR燃料設計中40%的鋯（Zr）金屬，這直接降低了突發事故中產生氫氣的風險。這一合作的建立基礎，是在通用原子公司為核能工業和國防等其他部門開發和部署先進材料的歷史。
5、輻照試驗
鉻涂層和碳化硅基覆層試驗樣品在戈斯根進行了三次輻照循環，樣品顯示出良好的效果。氧化特性大大降低，沒有涂層分層的跡象。
在戈斯根進行了一次和兩次循環后，又生產更多的樣品，目前在瑞士的Paul Scherrer研究所進行進一步的表征和測試。戈斯根是世界上第一個在PWR工況下輻照EATF包層樣品的地方，這將支持EATF概念的商業化。
在法馬通和CEA實驗室也在繼續對樣品進行廣泛的測試，鉻涂層技術的發展在過去的十年中預計發展迅猛。
廣泛的測試計劃已經建立。而且在法馬通的EATF概念之外，還有計劃和正在進行的堆外試驗計劃，這些計劃將補充輻照試驗計劃，最終可以建立起全面的材料性能和模型數據庫。
2018年6月，在INL先進試驗反應堆中，插入了含鉻強化顆粒的鍍鉻小棒進行試驗。這些小棒是第一個在PWR工況下進行輻照的完整（涂層和芯塊一起）EATF概念棒。總共有26個，在模擬商業LWR冷卻劑條件的特殊回路中進行試驗。測試結果將用于幫助美國核管理委員會（NRC）鑒定燃料設計。輻照試驗后，這些小棒計劃在INL的瞬態反應堆試驗設施中進行瞬態試驗，測試的結果也將有助于NRC鑒定燃料。
6、先進事故耐受控制元件
法馬通公司還開發了先進的組件技術，使操作人員能夠在操作過程中控制堆芯的核反應和功率水平。
雖然EATF解決方案能夠承受更高的溫度，并為操作員提供更多的響應時間，但事故耐受控制組件材料性能更優異，允許操作員在更高的溫度下控制反應堆。
法馬通公司正在獨立開發一種事故耐受控制棒（ATCR），使用先進的陶瓷。
這些芯塊具有極高的耐溫性，并且在至少1600℃的溫度范圍內不會出現任何共晶（即合金的熔點低于其組分金屬）。這些新型材料至少比當前使用的（AIC和B4C）優化了400℃。
反應堆控制系統需要能更好地在正常運行條件以外的情況下保持完全停堆狀態，這對燃料的穩定性提出了更高要求，也為應急堆芯冷卻系統注入含硼水留出了更多時間。
陶瓷顆粒對正常操作顯示出另一個顯著的好處：與AIC控制棒相比，隨著時間的推移，隨著輻射暴露（注量）的增加，溶脹大大減少。
法馬通公司的ATCR顆粒的改進性能結果，正在高通量同位素反應堆中進行輻照驗證。這種減少的膨脹，允許控制棒在更長的使用壽命內運行，并在功率運行期間插入堆芯，而不會出現膨脹問題。
因此，這些控制棒的更換頻率較低，可用于需要動力操縱能力以支持負載應變（即靈活操作）的電廠。
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