英國國家核實驗室日前發(fā)布的《燃料凈零：清潔能源未來的先進燃料循環(huán)路線圖》稱，英國必須開發(fā)先進核燃料及燃料循環(huán)技術(shù)，才能實現(xiàn)清潔能源目標(biāo)。美國南方核運營公司核燃料供應(yīng)部門負責(zé)人近日也透露，其正在研發(fā)更高豐度和更高燃耗水平的事故容錯燃料（ATF），最早在2026年秋季將沃格特勒核電廠1、2號機組的換料周期從18個月延長至24個月。
作為我國能源結(jié)構(gòu)低碳轉(zhuǎn)型的重要組成部分，核電要發(fā)揮優(yōu)勢并實現(xiàn)安全、高效運行，扮演“能量來源”角色的核燃料性能至關(guān)重要，也正因如此，先進核燃料正成為各國在先進核能技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域新的競技焦點。
核燃料性能提升路線已明確
先進核燃料研發(fā)的重要性，在我國“十三五”期間發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動（2016—2030）》（以下簡稱《創(chuàng)新行動》）中已有體現(xiàn)。
這份由國家發(fā)改委、國家能源局于2016年3月發(fā)布的文件，在“先進核能技術(shù)創(chuàng)新”領(lǐng)域提出，要實現(xiàn)自主先進核燃料元件的示范應(yīng)用，推進事故容錯燃料元件（ATF）、環(huán)形燃料元件的輻照考驗和商業(yè)運行，并具備國際領(lǐng)先核燃料研發(fā)設(shè)計能力。
ATF的主要特征是通過材料和設(shè)計改進，降低在事故工況下核燃料熔化的風(fēng)險，由于在設(shè)計上考慮了與現(xiàn)役輕水堆機組的匹配，成為各國目前重點推進的研究方向之一。2019年2月，我國首次實現(xiàn)ATF燃料堆內(nèi)輻照：中廣核自主研發(fā)設(shè)計的S2FPI-A型ATF小棒載入研究堆，開始輻照試驗，以此獲得燃料在反應(yīng)堆內(nèi)的輻照數(shù)據(jù)，為后期先導(dǎo)棒入堆等工作提供支撐。記者了解到，美國、俄羅斯計劃將于2025年前后進行ATF組件的商業(yè)化應(yīng)用。
此外，另一種革新性燃料——環(huán)形燃料元件具有換熱效率大幅提升的顯著優(yōu)勢。資料顯示，在維持現(xiàn)有安全裕度不變的前提下，環(huán)形燃料相比傳統(tǒng)燃料，堆芯輸出功率可以提升20%—50%。今年5月，中核北方壓水堆核燃料生產(chǎn)線下線了本年度首個環(huán)形燃料實驗組件模擬件。
根據(jù)《創(chuàng)新行動》要求，到2030年，我國要實現(xiàn)ATF先導(dǎo)棒/先導(dǎo)組件商用堆輻照考驗，初步實現(xiàn)環(huán)形元件在壓水堆核電站商業(yè)運行；钚鈾氧化物混合燃料（MOX）組件批量化生產(chǎn)管理技術(shù)達到國際先進水平，快堆金屬元件具備規(guī)模化應(yīng)用條件。
“事故容錯”燃料仍待突破
作為先進核燃料的發(fā)展方向之一，ATF近年來一直是各國競相發(fā)力的技術(shù)研發(fā)路線。但據(jù)記者了解，目前各國的ATF想達到真正意義上的“事故容錯”，還有很長的路要走。
“客觀上講，我國在先進核燃料研發(fā)方面，比其他國家起步較晚，研發(fā)進度處于追趕狀態(tài)。”一位核電行業(yè)專家直言，“實際上，真正意義上的ATF需要對燃料芯塊做顛覆性改變，目前很多國家離這個突破都有一段距離。”
公開信息顯示，今年2月，法瑪通公司的GAIA增強型事故容錯燃料（EATF）先導(dǎo)組件完成了18個月燃料循環(huán)。據(jù)了解，這種燃料組件采用鉻增強型燃料芯塊包覆M5鋯合金包殼以及鉻涂層，提高了燃料的抗氧化性能和抗磨損性能，由此減少了核電站正常運行過程中發(fā)生燃料故障的可能性，同時可提高電廠運行效率。
2019年春季，西屋電氣研發(fā)的ATF產(chǎn)品EnCore燃料在美國拜倫核電站2號機完成安裝。該燃料由帶鉻涂層的包殼管內(nèi)填充硅化鈾芯塊而成，具有較常規(guī)燃料更高的密度和導(dǎo)熱性。據(jù)了解，該燃料僅對當(dāng)前使用的西屋包殼燃料進行增量更改，兼顧了燃料性能的提升和可用性。
上述專家解釋，現(xiàn)有核燃料組件的包殼采用鋯合金材料，而根據(jù)業(yè)內(nèi)先進理論，可以用碳化硅材料完全替代鋯合金，以大幅提升燃料組件耐事故的能力。“單從工藝上看，把碳化硅加工成核燃料包殼管材的難度非常大。目前西屋等公司仍處于材料相關(guān)的基礎(chǔ)研究階段。”
該專家認為，目前各國對ATF的研發(fā)與應(yīng)用基本處于第一階段，即在燃料芯塊制備時加入其它成分提高導(dǎo)熱性能，無論是反應(yīng)堆正常工況下運行時的效率，還是發(fā)生事故時的快速散熱能力，都能有所提升。“而碳化硅材料等應(yīng)用可以視作ATF研發(fā)的第二階段，目前各國想要在2030年前突破到第二階段，還存在困難。”
新燃料或增加“出海”砝碼
作為核電機組的能量來源和第一道安全屏障，核燃料的性能直接反映了一個國家核能技術(shù)的競爭力。
“核燃料組件是核電站提升反應(yīng)堆安全性、經(jīng)濟性的重要環(huán)節(jié)，而出于提升我國核電品牌競爭力以及核電‘走出去’等考慮，近年來我國核燃料組件研究重點更多放在了實現(xiàn)自主化方面。”上述專家坦言。
據(jù)了解，我國目前已成功研發(fā)的三代核電技術(shù)華龍一號、國和一號，除反應(yīng)堆實現(xiàn)自主化外，燃料組件也已實現(xiàn)自主化突破。公開信息顯示，華龍一號CF系列燃料組件體系已形成，解決了燃料組件出口受限問題，滿足國內(nèi)二代改進型核電、華龍一號及出口核電項目需求；國和一號自主化先進核燃料定型組件也已經(jīng)研制成功。
那么，各國在新型燃料組件研發(fā)應(yīng)用上的差距，是否會影響到核電“訂單”的競爭格局？
接受記者采訪的業(yè)內(nèi)人士認為，正是由于現(xiàn)階段的ATF等新型燃料還沒有實現(xiàn)顛覆性的改變，相比之下核電項目招標(biāo)的整體造價等，仍是現(xiàn)階段影響核電項目招標(biāo)的主要因素。“目前，ATF對于效率和安全性的提升更多是一種‘錦上添花’，還不足以左右項目競標(biāo)。但是一旦哪家公司短期內(nèi)能突破到第二階段，掌握碳化硅包殼組件等顛覆性的技術(shù)，這種先進的燃料組件就可能轉(zhuǎn)而成為主要因素，大幅提升項目競標(biāo)中的競爭力。”
