◎本刊主筆 季天也

中國設立相關重大科研專項“事故容錯燃料”讓核安全升級

6月23～24日，“2016事故容錯燃料技術國際研討會”在深圳舉行?！笆鹿嗜蒎e燃料”這一新提法聽起來很拗口，但被視為近50年來核燃料領域的一次重大技術革命，是未來核燃料領域的投資和研發(fā)重點。我國和其他核能大國當下已紛紛就事故容錯燃料進行布局，以搶占未來核燃料的話語權。國家環(huán)保部核與輻射安全中心，是國家科技重大專項“事故容錯燃料關鍵技術研究”課題的聯(lián)合申報單位之一。作為一項備受器重的新技術，事故容錯燃料能給核與輻射安全帶來多少貢獻值呢？

◎本刊主筆 季天也

核反應堆中包含上百根燃料棒

我國新燃料研究有進展

事故容錯燃料（Accident Tolerant Fuel，簡稱ATF），是為提高燃料元件抵御嚴重事故能力而開發(fā)的新一代燃料系統(tǒng)。與現(xiàn)有核燃料相比，這種新型燃料系統(tǒng)能夠在較長時間內(nèi)抵抗嚴重事故工況，同時保持或提高其在正常運行工況下的性能。事故容錯燃料的材料特性，能延緩事態(tài)惡化的速度，為人們采取應急措施爭取到更多寶貴時間，大大降低放射性原料突破安全屏障泄漏到環(huán)境中的風險?！叭蒎e”一詞由此得來。

中廣核研究院院長龐松濤在會上介紹，中國的《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃2016～2030》與《能源技術革命重點創(chuàng)新行動路線圖》中，明確了事故容錯燃料研發(fā)任務，設立了重大科研專項，由中廣核牽頭，聯(lián)合國家電投、中科院、中國工程物理研究院等業(yè)內(nèi)主要企事業(yè)單位，以及清華大學、西安交通大學等高校，組織起一支國家級研發(fā)團隊和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，擬在10～15年內(nèi)為該項目投入企業(yè)自有資金超過20億元人民幣，確保項目成功。

燃料系統(tǒng)是核安全第一關

在核電站中，核燃料這個概念既可以指裂變供能的燃料本身（鈾-235），也可以指由燃料材料、結構材料、中子慢化劑等組成的燃料系統(tǒng)。如核電站壓水反應堆采用的燃料形式，是鈾混合物粉末燒結成的二氧化鈾陶瓷芯塊（燃料塊），這種燃料塊能把90%以上的放射性裂變產(chǎn)物滯留在其中，是核電站的第一道安全屏障。

幾百個燃料塊排成一列縱隊，被密封在直徑比燃料塊稍大、長約三四米的鋯合金套管內(nèi)（也叫燃料包殼），構成燃料棒，再組成燃料組件。上百個這樣的燃料組件就形成了一個核反應堆的堆芯。在核電站中，燃料包殼肩負著阻止裂變產(chǎn)物外泄、隔離燃料塊和冷卻

碳化硅做成的燃料包殼結構示意圖

水（避免二者發(fā)生反應）、把裂變產(chǎn)生的熱能傳出去等功能，是核電站的第二道安全屏障。

事故容錯燃料的革新，就發(fā)生在這兩個環(huán)節(jié)。

核反應堆所用的燃料，由一個個長度和直徑均為一厘米左右的二氧化鈾陶瓷芯塊組成。

福島核電站是被“熱死”的

鋯合金之所以當選燃料包殼的材料，是因為它具有中子吸收截面小、熱導率高、低溫耐水腐蝕性高等優(yōu)點。然而在日本福島核事故中，它卻因為扛不住巨量的“衰變熱”，成為核電機組爆炸的推手。

不同于家里即關即停的電磁爐、熱得快等電加熱設備，核反應堆即使停止運行后，由于裂變產(chǎn)物的衰變，仍會在很長一段時間內(nèi)持續(xù)發(fā)出相當于發(fā)電功率百分之幾的余熱，這就是衰變熱。這個比例雖然不起眼，但熱能的量級還是很可觀的。由于核電站斷電后燃料棒和冷卻水無法循環(huán)換熱，如不及時冷卻反應堆，燃料棒就會在衰變熱的作用下不斷升溫。超過1200攝氏度后，燃料棒中的金屬鋯就會和水/水蒸氣發(fā)生氧化反應，造成燃料包殼失效，產(chǎn)生大量氫氣。一旦高溫高壓的氫氣遇到氧氣，就會與它結合成水，并伴隨著劇烈的“愛之火花”——爆炸。福島核電站的爆炸就是這么來的。

因這一事故的警示，世界核工業(yè)界和科學界意識到，有必要對核燃料包殼材料的安全性提出新的要求，特別是防止反應堆因缺乏冷卻而過熱，于是提出了事故容錯燃料的研究方向，希望研制出一種更能扛得住事故、顯著降低堆芯熔毀概率、避免或延緩氫氣產(chǎn)生和放射性物質(zhì)泄漏的燃料系統(tǒng)，替代現(xiàn)役的二氧化鈾-鋯合金燃料系統(tǒng)。

新燃料研發(fā) 十年磨一劍

其實，事故容錯燃料的研究并非后福島時代才開始的。美國西屋電氣公司早在2004年就啟動了事故容錯燃料項目。

美國能源部指出，事故容錯燃料需要做到以下幾點：

① 給核電運營者更多“處理時間”來應對事故狀況；

② 能夠在2022年之前實現(xiàn)商用；

③ 繼續(xù)使用且不影響原本的鈾燃料循環(huán)；

④ 商業(yè)運營可行。

美國能源部為事故容錯燃料的研發(fā)制定了可行性研究（2012～2015）、開發(fā)與資格認證（2016～2021）和商用（2022）3個階段。

第一階段的工作是試水，包括建模、制造小比例設備原型、輻照測試、蒸汽反應測試、機械性能測試、熔爐測試等等，說白了就是用個實驗室級規(guī)模的小組件試水，然后評估它的經(jīng)濟性、安全性，及對運行動態(tài)、核燃料循環(huán)和環(huán)境等方面的影響。

第二階段主要是挑選燃料棒的材料，再對工業(yè)級規(guī)模的試驗反應堆進行瞬態(tài)輻射測試、鉛組件測試等一系列復雜測試，并且拿下相應的“學歷”和資質(zhì)。由于專業(yè)性太強，這些測試就不展開介紹了。

第三階段自然就是要拿出萬事俱備的成品在正規(guī)商用核電站服役。10年光陰是否能磨出一柄好劍，就看這最后一哆嗦了。

燃料芯塊的組裝過程

采用事故容錯燃料技術的燃料棒結構示意圖

“容錯”難在“少吃多跑”

當核電站冷卻系統(tǒng)因事故趴窩后，新型燃料系統(tǒng)的燃料包殼能否在較長時間內(nèi)撐住衰變熱帶來的高溫，以及燃料塊對裂變產(chǎn)物的滯留能力能否進一步提升，是研發(fā)和設計的首要目標。同時，新型燃料系統(tǒng)還必須很好地兼容現(xiàn)役的核燃料生產(chǎn)設備等，以保證商用核電站有足夠的經(jīng)濟性和可靠性。這無異于是讓馬兒既要跑得快又要吃得少，對事故容錯燃料的設計和選擇是個不小的挑戰(zhàn)，因此也吸引了各核能大國紛紛就事故容錯燃料進行布局，以搶占未來核燃料的話語權。

美國、法國、韓國、日本等國家的核能機構，都已經(jīng)把事故容錯燃料作為下一步重點發(fā)展方向?？梢哉f，這種高安全性技術已在國際核能界業(yè)掀起一股科技研發(fā)熱潮。

鋯合金“接班人”更耐高溫

選擇性能更優(yōu)越的材料，是開發(fā)事故容錯燃料的關鍵。美國橡樹嶺和洛斯阿拉莫斯國家實驗室發(fā)現(xiàn)，鐵鉻鋁合金和鉬合金是兩種耐高溫、耐氧化和耐腐蝕性能出色的金屬合金，其中金屬鉬有著高達2600攝氏度的熔點，屬于難熔金屬，而且高溫下仍有很高的強度和抗蠕變（固體材料在恒定受力下變形程度隨時間增加的現(xiàn)象）性，低溫時又有良好的延展性，若用作燃料包殼的涂層，可以增強燃料棒在高溫下的抗氧化性能。

美國西屋電氣公司則青睞“碳化硅復合陶瓷”作為燃料包殼的防護涂層。碳化硅是目前硬度僅次于金剛石的材料，它化學性質(zhì)穩(wěn)定、導熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性好。西屋公司的項目工程師艾德說，這種材料的加盟，有望把燃料棒的耐熱能力提升到1800攝氏度。同樣可以改進的還有高密度燃料芯塊，比如鈾硅化物和一氮化鈾，這兩種新材料的導熱率比目前所用的二氧化鈾分別提升了5倍和10倍，鈾-235的含量則分別提升了17%和35%，這就能在不降低發(fā)電功率的情況下，減少燃料用量和體積，燃料芯塊在冷卻系統(tǒng)失靈時也不容易聚集熱量，安全性和經(jīng)濟性都得到改善。

我國“華龍一號”有望最先應用

事物的發(fā)展都有一個從無到有、從弱到強的過程。幾十年前的汽車連轉(zhuǎn)向燈和安全帶都沒有，而今天，就算用安全氣囊把人裹成一個繭也不足為奇。核電站也是如此，60多年來，核電站的安全性能節(jié)節(jié)拔高。而事故容錯燃料，將是核與輻射安全提升的重大新成果。據(jù)透露，我國事故容錯燃料研制過程中的各項成果，可直接應用于我國自主研發(fā)的第三代核電技術“華龍一號”的改進上，最終實現(xiàn)中國自己的新型燃料系統(tǒng)，使中國的事故容錯燃料技術走在世界核能技術潮流的前沿。

美國工程院院士史蒂芬·津克爾教授指出，作為當代和下一代核反應堆設計的重要部分，事故容錯燃料正深刻影響核能科技的發(fā)展方向，是核安全“游戲規(guī)則”的改變者。

（本文在撰寫過程中參考了維基百科英文網(wǎng)、中國核網(wǎng)、中國廣核集團網(wǎng)站、美國能源部、美國西屋公司等網(wǎng)站的相關資料，特此聲明并致謝。）

本欄目責編/季天也jtyair2013@vip.163.com