◎本刊主筆 季天也

中國(guó)設(shè)立相關(guān)重大科研專(zhuān)項(xiàng)“事故容錯(cuò)燃料”讓核安全升級(jí)

6月23～24日，“2016事故容錯(cuò)燃料技術(shù)國(guó)際研討會(huì)”在深圳舉行?！笆鹿嗜蒎e(cuò)燃料”這一新提法聽(tīng)起來(lái)很拗口，但被視為近50年來(lái)核燃料領(lǐng)域的一次重大技術(shù)革命，是未來(lái)核燃料領(lǐng)域的投資和研發(fā)重點(diǎn)。我國(guó)和其他核能大國(guó)當(dāng)下已紛紛就事故容錯(cuò)燃料進(jìn)行布局，以搶占未來(lái)核燃料的話(huà)語(yǔ)權(quán)。國(guó)家環(huán)保部核與輻射安全中心，是國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“事故容錯(cuò)燃料關(guān)鍵技術(shù)研究”課題的聯(lián)合申報(bào)單位之一。作為一項(xiàng)備受器重的新技術(shù)，事故容錯(cuò)燃料能給核與輻射安全帶來(lái)多少貢獻(xiàn)值呢？

◎本刊主筆 季天也

核反應(yīng)堆中包含上百根燃料棒

我國(guó)新燃料研究有進(jìn)展

事故容錯(cuò)燃料（Accident Tolerant Fuel，簡(jiǎn)稱(chēng)ATF），是為提高燃料元件抵御嚴(yán)重事故能力而開(kāi)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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)抵抗嚴(yán)重事故工況，同時(shí)保持或提高其在正常運(yùn)行工況下的性能。事故容錯(cuò)燃料的材料特性，能延緩事態(tài)惡化的速度，為人們采取應(yīng)急措施爭(zhēng)取到更多寶貴時(shí)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(fēng)險(xiǎn)?！叭蒎e(cuò)”一詞由此得來(lái)。

中廣核研究院院長(zhǎng)龐松濤在會(huì)上介紹，中國(guó)的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃2016～2030》與《能源技術(shù)革命重點(diǎn)創(chuàng)新行動(dòng)路線圖》中，明確了事故容錯(cuò)燃料研發(fā)任務(wù)，設(shè)立了重大科研專(zhuān)項(xiàng)，由中廣核牽頭，聯(lián)合國(guó)家電投、中科院、中國(guó)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(xué)、西安交通大學(xué)等高校，組織起一支國(guó)家級(jí)研發(fā)團(tuán)隊(duì)和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，擬在10～15年內(nèi)為該項(xiàng)目投入企業(yè)自有資金超過(guò)20億元人民幣，確保項(xiàng)目成功。

燃料系統(tǒng)是核安全第一關(guān)

在核電站中，核燃料這個(gè)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(jié)構(gòu)材料、中子慢化劑等組成的燃料系統(tǒng)。如核電站壓水反應(yīng)堆采用的燃料形式，是鈾混合物粉末燒結(jié)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(gè)燃料塊排成一列縱隊(duì)，被密封在直徑比燃料塊稍大、長(zhǎng)約三四米的鋯合金套管內(nèi)（也叫燃料包殼），構(gòu)成燃料棒，再組成燃料組件。上百個(gè)這樣的燃料組件就形成了一個(gè)核反應(yīng)堆的堆芯。在核電站中，燃料包殼肩負(fù)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(jié)構(gòu)示意圖

水（避免二者發(fā)生反應(yīng)）、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(cuò)燃料的革新，就發(fā)生在這兩個(gè)環(huán)節(jié)。

核反應(yīng)堆所用的燃料，由一個(gè)個(gè)長(zhǎng)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(dāng)選燃料包殼的材料，是因?yàn)樗哂兄凶游战孛嫘?、熱?dǎo)率高、低溫耐水腐蝕性高等優(yōu)點(diǎn)。然而在日本福島核事故中，它卻因?yàn)榭覆蛔【蘖康摹八プ儫帷?，成為核電機(jī)組爆炸的推手。

不同于家里即關(guān)即停的電磁爐、熱得快等電加熱設(shè)備，核反應(yīng)堆即使停止運(yùn)行后，由于裂變產(chǎn)物的衰變，仍會(huì)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)發(fā)出相當(dāng)于發(fā)電功率百分之幾的余熱，這就是衰變熱。這個(gè)比例雖然不起眼，但熱能的量級(jí)還是很可觀的。由于核電站斷電后燃料棒和冷卻水無(wú)法循環(huán)換熱，如不及時(shí)冷卻反應(yīng)堆，燃料棒就會(huì)在衰變熱的作用下不斷升溫。超過(guò)1200攝氏度后，燃料棒中的金屬鋯就會(huì)和水/水蒸氣發(fā)生氧化反應(yīng)，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(huì)與它結(jié)合成水，并伴隨著劇烈的“愛(ài)之火花”——爆炸。福島核電站的爆炸就是這么來(lái)的。

因這一事故的警示，世界核工業(yè)界和科學(xué)界意識(shí)到，有必要對(duì)核燃料包殼材料的安全性提出新的要求，特別是防止反應(yīng)堆因缺乏冷卻而過(guò)熱，于是提出了事故容錯(cuò)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(shí)，事故容錯(cuò)燃料的研究并非后福島時(shí)代才開(kāi)始的。美國(guó)西屋電氣公司早在2004年就啟動(dòng)了事故容錯(cuò)燃料項(xiàng)目。

美國(guó)能源部指出，事故容錯(cuò)燃料需要做到以下幾點(diǎn)：

① 給核電運(yùn)營(yíng)者更多“處理時(shí)間”來(lái)應(yīng)對(duì)事故狀況；

② 能夠在2022年之前實(shí)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(yùn)營(yíng)可行。

美國(guó)能源部為事故容錯(cuò)燃料的研發(fā)制定了可行性研究（2012～2015）、開(kāi)發(fā)與資格認(rèn)證（2016～2021）和商用（2022）3個(gè)階段。

第一階段的工作是試水，包括建模、制造小比例設(shè)備原型、輻照測(cè)試、蒸汽反應(yīng)測(cè)試、機(jī)械性能測(cè)試、熔爐測(cè)試等等，說(shuō)白了就是用個(gè)實(shí)驗(yàn)室級(jí)規(guī)模的小組件試水，然后評(píng)估它的經(jīng)濟(jì)性、安全性，及對(duì)運(yùn)行動(dòng)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(duì)工業(yè)級(jí)規(guī)模的試驗(yàn)反應(yīng)堆進(jìn)行瞬態(tài)輻射測(cè)試、鉛組件測(cè)試等一系列復(fù)雜測(cè)試，并且拿下相應(yīng)的“學(xué)歷”和資質(zhì)。由于專(zhuān)業(yè)性太強(qiáng)，這些測(cè)試就不展開(kāi)介紹了。

第三階段自然就是要拿出萬(wàn)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(guò)程

采用事故容錯(cuò)燃料技術(shù)的燃料棒結(jié)構(gòu)示意圖

“容錯(cuò)”難在“少吃多跑”

當(dāng)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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)撐住衰變熱帶來(lái)的高溫，以及燃料塊對(duì)裂變產(chǎn)物的滯留能力能否進(jìn)一步提升，是研發(fā)和設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。同時(shí)，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(shè)備等，以保證商用核電站有足夠的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。這無(wú)異于是讓馬兒既要跑得快又要吃得少，對(duì)事故容錯(cuò)燃料的設(shè)計(jì)和選擇是個(gè)不小的挑戰(zhàn)，因此也吸引了各核能大國(guó)紛紛就事故容錯(cuò)燃料進(jìn)行布局，以搶占未來(lái)核燃料的話(huà)語(yǔ)權(quán)。

美國(guó)、法國(guó)、韓國(guó)、日本等國(guó)家的核能機(jī)構(gòu)，都已經(jīng)把事故容錯(cuò)燃料作為下一步重點(diǎn)發(fā)展方向?？梢哉f(shuō)，這種高安全性技術(shù)已在國(guó)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(kāi)發(fā)事故容錯(cuò)燃料的關(guān)鍵。美國(guó)橡樹(shù)嶺和洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(dá)2600攝氏度的熔點(diǎn)，屬于難熔金屬，而且高溫下仍有很高的強(qiáng)度和抗蠕變（固體材料在恒定受力下變形程度隨時(shí)間增加的現(xiàn)象）性，低溫時(shí)又有良好的延展性，若用作燃料包殼的涂層，可以增強(qiáng)燃料棒在高溫下的抗氧化性能。

美國(guó)西屋電氣公司則青睞“碳化硅復(fù)合陶瓷”作為燃料包殼的防護(hù)涂層。碳化硅是目前硬度僅次于金剛石的材料，它化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性好。西屋公司的項(xiàng)目工程師艾德說(shuō)，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(jìn)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(dǎo)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(shí)也不容易聚集熱量，安全性和經(jīng)濟(jì)性都得到改善。

我國(guó)“華龍一號(hào)”有望最先應(yīng)用

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

美國(guó)工程院院士史蒂芬·津克爾教授指出，作為當(dāng)代和下一代核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的重要部分，事故容錯(cuò)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(xiě)過(guò)程中參考了維基百科英文網(wǎng)、中國(guó)核網(wǎng)、中國(guó)廣核集團(tuán)網(wǎng)站、美國(guó)能源部、美國(guó)西屋公司等網(wǎng)站的相關(guān)資料，特此聲明并致謝。）

本欄目責(zé)編/季天也jtyair2013@vip.163.com