美国核电站耐事故燃料性能不断提升

耐事故燃料（ATF）是为了比传统的燃料更能承受反应堆堆芯冷却失灵而设计的，并在正常运行期间保持和改善燃料和电厂性能。ATF是基于事故情况下，存在一定的安全裕度而设计，同时保证更有效的正常运行。设计中，也考虑了与可再生能源更好的配合，提高电厂的性能。

（来源：微信公众号“嘿嘿能源heypower” ID：heiheinengyuan 作者：heypower）

在2011年福岛核事故之后，美国国会、能源部和核工业界认识到，要优先开展ATF技术的研究和开发。因此，能源部启动了一项为期10年的计划，目标是在2022年前将具有增强事故耐受性的试验棒应用于商业反应堆。

重大突破发生在2018年2月，全球核燃料公司（GNF）的Iron Clad和ARMOR ATF铅测试组件（LTA）在南方核运营公司的哈奇工厂投入使用。

通过使用分段棒装载ARMOR LTA，简化未来的燃料检查工作，同时也是在商业核电厂首次使用含颗粒的ATF。2019年3月，南方公司将世界上第一根全长ATF燃料棒采用Framatome公司的PRO tec设计装入Vogtle-2核电站。

此外，一些国家已经通过经合组织核能机构、国际原子能机构和欧洲原子能共同体（Euratom）制定了ATF计划和国际ATF联合计划。为了确保这些新燃料的广泛适用性，美国核工业成立了ATF工作小组。在核能研究所的协调下，该小组包括来自NEI、DOE、燃料供应商、电力研究所（EPRI）、核电公司以及其他各种行业专家的代表。另外，核管理委员会已经发布了《高效耐事故燃料项目计划》，概述了为供应商提供的安全审查所做的准备。

为了促进行业的广泛采用，行业制定了以下ATF设计的标准。

1.可接受的中子吸收截面，确保足够的运行和经济性。

2.适用于当前轻水反应堆。

3.有足够的原材料供应以满足全球轻水反应堆的需要。

4.在正常运行条件下与目前的轻水反应堆冷却剂相兼容。

5.满足现有的设计、运行、可靠性和许可要求。

正在开发中的ATF可以分为近期部署和远期部署两类。近期部署的ATF使用目前的结构、法规和监管规则，预计将在20世纪20年代中期建设的核电站上实现商业部署。

远期部署的ATF仍在开发和测试中，可能需要制定新的监管框架。因此，在运行中的商业反应堆中进行部署之前，可能需要花费很多时间进行监管措施和许可规则的制定。

商业反应堆决定是否采用ATF，一个关键指标是ATF部署的时间表。越早部署，其安全和经济效益就可能在现有电厂的剩余寿命内越早实现。理想情况下，ATF能提高核电站的安全性，同时有可能降低运营成本并提高工厂的效率。“安全效益”意味着安全性提高，这比标准的锆/二氧化铀（Zr/UO2）燃料的性能更有优势。

先进核燃料的研究、开发、许可和部署意味着大量的投资，以及燃料供应商、运营公司、研究机构、监管部门和政府机构之间的合作。任何新的燃料技术在经济上都是可行的，需要大量的安全和经济实践来证明采用这项技术的合理性。

其优势包括提高了安全系数、燃料可靠性、经济性，优化燃料循环操作策略、减少废物产生等。在过去的一年里，美国核工业一直在积极开发ATF，目标是在2020年代早期到中期开始部署。因此，EPRI已经制定了ATF技术的安全和经济效益评估规则。

ATF的价值

在过去的30年里，EPRI一直在与政府、监管机构和商业利益相关者合作，研究具有更高的可靠性、安全性、效率和性能的先进燃料。虽然EPRI没有开发具体的ATF技术，但提供了关键的安全、经济和运营技术分析，以支持实施ATF的战略决策。

商业反应堆业主和运营商采用ATF的前提是需要评估ATF的收益和成本。2017年，EPRI对ATF预期性能进行了初步评估，量化了ATF所需的各种安全增强措施。在事故发生的假设下，EPRI对ATF的性能进行了评估，并将ATF的结果与使用目前Zr/UO2燃料设计进行了比较。在这一初步评估之后，EPRI基于更多的事故情景进行了分析，进行了燃料循环优化评估（通过增加运行安全系数，同时提供更高的燃料可靠性、燃料循环优化和减少乏核燃料，增加浓缩的多功能性能，相对标准Zr/UO2燃料更有优势。）因此，研究工作量大大增加，包括研究严重事故处置策略，进行安全标准分析，评估燃料循环优化等，EPRI的后续分析得出以下结论。

ATF可以提供更多的时间，以应对和缓解事故。

对于有核态沸腾（DNB）限制的压水堆失流事故，带有二氧化铀的Zr-合金包壳和标准Zr/UO2燃料系统的分析结果实际上是一样的。然而，这些结果也表明，如果目前的DNB验收标准被包层强度的失效机制所取代，就可以改变电厂运行策略、增加堆芯设计的灵活性，以提高经济收益。

压水堆冷却剂损失事故（LOCA）评估显示，随着涂层包壳和掺二氧化铀颗粒技术的使用，安全系数有所提高。额外的安全系数是通过使用具有更高导热性的颗粒来实现的，这使得颗粒的工作温度降低。此外，ATF包层大大减少了局部氧化。

包层—蒸汽氧化动力学。这些性能上的好处可以延迟紧急核心冷却系统（ECCS）的启动，但还需要更多的研究来证实这种可能性。

LOCA评估显示，通过减少氢气的产生量和氧化层的厚度，涂覆的Zr合金包壳能增加包壳在LOCA条件下的延展性和弹性。

涂层Zr—合金包壳可以支持适度增加峰值因子，以满足压水堆燃料循环优化的需求。

沸水反应堆ATF满足允许沸腾过渡的安全分析的许可要求。ATF提高了燃料安全性，使其能够承受发生沸腾过渡时的短暂干涸期，使得燃料循环成本降低。

BWR ATF概念可以满足ECCS

满足LOCA的许可要求的同时，大幅减少了ECCCS的注入流量。ATF的安全裕度可以通过利用额外的CPR裕度，放宽scram要求，取消周期结束时再循环泵的跳闸功能，允许在当前许可的运行限制内以较低的堆芯流量运行，从而实现运行和维护成本的降低。