來(lái)源：中國(guó)能源報(bào)

英國(guó)國(guó)家核實(shí)驗(yàn)室日前發(fā)布的《燃料凈零：清潔能源未來(lái)的先進(jìn)燃料循環(huán)路線圖》稱，英國(guó)必須開(kāi)發(fā)先進(jìn)核燃料及燃料循環(huán)技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)清潔能源目標(biāo)。美國(guó)南方核運(yùn)營(yíng)公司核燃料供應(yīng)部門(mén)負(fù)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(cuò)燃料（ATF），最早在2026年秋季將沃格特勒核電廠1、2號(hào)機(jī)組的換料周期從18個(gè)月延長(zhǎng)至24個(gè)月。

作為我國(guó)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(shì)并實(shí)現(xiàn)安全、高效運(yùn)行，扮演“能量來(lái)源”角色的核燃料性能至關(guān)重要，也正因如此，先進(jìn)核燃料正成為各國(guó)在先進(jìn)核能技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域新的競(jìng)技焦點(diǎn)。

核燃料性能提升路線已明確

先進(jìn)核燃料研發(fā)的重要性，在我國(guó)“十三五”期間發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)（2016—2030）》（以下簡(jiǎn)稱《創(chuàng)新行動(dòng)》）中已有體現(xiàn)。

這份由國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局于2016年3月發(fā)布的文件，在“先進(jìn)核能技術(shù)創(chuàng)新”領(lǐng)域提出，要實(shí)現(xiàn)自主先進(jìn)核燃料元件的示范應(yīng)用，推進(jìn)事故容錯(cuò)燃料元件（ATF）、環(huán)形燃料元件的輻照考驗(yàn)和商業(yè)運(yùn)行，并具備國(guó)際領(lǐng)先核燃料研發(fā)設(shè)計(jì)能力。

ATF的主要特征是通過(guò)材料和設(shè)計(jì)改進(jìn)，降低在事故工況下核燃料熔化的風(fēng)險(xiǎn)，由于在設(shè)計(jì)上考慮了與現(xiàn)役輕水堆機(jī)組的匹配，成為各國(guó)目前重點(diǎn)推進(jìn)的研究方向之一。 2019年2月，我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)ATF燃料堆內(nèi)輻照：中廣核自主研發(fā)設(shè)計(jì)的S2FPI-A型ATF小棒載入研究堆，開(kāi)始輻照試驗(yàn)，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(guó)、俄羅斯計(jì)劃將于2025年前后進(jìn)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(shì)。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(gè)環(huán)形燃料實(shí)驗(yàn)組件模擬件。

根據(jù)《創(chuàng)新行動(dòng)》要求，到2030年，我國(guó)要實(shí)現(xiàn)ATF先導(dǎo)棒/先導(dǎo)組件商用堆輻照考驗(yàn)，初步實(shí)現(xiàn)環(huán)形元件在壓水堆核電站商業(yè)運(yùn)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(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，快堆金屬元件具備規(guī)模化應(yīng)用條件。

“事故容錯(cuò)”燃料仍待突破

作為先進(jìn)核燃料的發(fā)展方向之一，ATF近年來(lái)一直是各國(guó)競(jìng)相發(fā)力的技術(shù)研發(fā)路線。但據(jù)記者了解，目前各國(guó)的ATF想達(dá)到真正意義上的“事故容錯(cuò)”，還有很長(zhǎng)的路要走。

“客觀上講，我國(guó)在先進(jìn)核燃料研發(fā)方面，比其他國(guó)家起步較晚，研發(fā)進(jìn)度處于追趕狀態(tài)。”一位核電行業(yè)專家直言，“實(shí)際上，真正意義上的ATF需要對(duì)燃料芯塊做顛覆性改變，目前很多國(guó)家離這個(gè)突破都有一段距離。”

公開(kāi)信息顯示，今年2月，法瑪通公司的GAIA增強(qiáng)型事故容錯(cuò)燃料（EATF）先導(dǎo)組件完成了18個(gè)月燃料循環(huán)。據(jù)了解，這種燃料組件采用鉻增強(qiáng)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(yùn)行過(guò)程中發(fā)生燃料故障的可能性，同時(shí)可提高電廠運(yùn)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(guó)拜倫核電站2號(hào)機(jī)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(duì)當(dāng)前使用的西屋包殼燃料進(jìn)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(jìn)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(rèn)為，目前各國(guó)對(duì)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(shí)加入其它成分提高導(dǎo)熱性能，無(wú)論是反應(yīng)堆正常工況下運(yùn)行時(shí)的效率，還是發(fā)生事故時(shí)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(guó)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(jī)組的能量來(lái)源和第一道安全屏障，核燃料的性能直接反映了一個(gè)國(guó)家核能技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力。

“核燃料組件是核電站提升反應(yīng)堆安全性、經(jīng)濟(jì)性的重要環(huán)節(jié)，而出于提升我國(guó)核電品牌競(jìng)爭(zhēng)力以及核電‘走出去’等考慮，近年來(lái)我國(guó)核燃料組件研究重點(diǎn)更多放在了實(shí)現(xiàn)自主化方面。”上述專家坦言。

據(jù)了解，我國(guó)目前已成功研發(fā)的三代核電技術(shù)華龍一號(hào)、國(guó)和一號(hào)，除反應(yīng)堆實(shí)現(xiàn)自主化外，燃料組件也已實(shí)現(xiàn)自主化突破。公開(kāi)信息顯示，華龍一號(hào)CF系列燃料組件體系已形成，解決了燃料組件出口受限問(wèn)題，滿足國(guó)內(nèi)二代改進(jìn)型核電、華龍一號(hào)及出口核電項(xiàng)目需求；國(guó)和一號(hào)自主化先進(jìn)核燃料定型組件也已經(jīng)研制成功。

那么，各國(guó)在新型燃料組件研發(fā)應(yīng)用上的差距，是否會(huì)影響到核電“訂單”的競(jìng)爭(zhēng)格局？

接受記者采訪的業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，正是由于現(xiàn)階段的ATF等新型燃料還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)顛覆性的改變，相比之下核電項(xiàng)目招標(biāo)的整體造價(jià)等，仍是現(xiàn)階段影響核電項(xiàng)目招標(biāo)的主要因素。“目前，ATF對(duì)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(xiàng)目競(jìng)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(jìn)的燃料組件就可能轉(zhuǎn)而成為主要因素，大幅提升項(xiàng)目競(jìng)標(biāo)中的競(jìng)爭(zhēng)力。”