李冠興，周邦新，肖岷，焦擁軍，任忠鳴

（1.中國核學會，北京 100045；2.上海大學，上海 201800；3.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518031；4.中國核動力研究設計院，成都 610000）

一、前言

核裂變能的可持續(xù)發(fā)展依賴于鈾資源的充分利用、核電的安全性和核廢物的安全處置。發(fā)展快堆技術(shù)是解決這些挑戰(zhàn)的有效途徑。我國在做好壓水堆核電技術(shù)升級和推廣應用的同時，推進快堆核能系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)，實現(xiàn)壓水堆–快堆協(xié)調(diào)發(fā)展，逐步建立起核燃料閉式循環(huán)體系，既能充分利用鈾資源，又能使高水平放射性廢物最小化，解除核廢料危害環(huán)境的后顧之憂，保障核能可持續(xù)發(fā)展。

2016年3月，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016－2030年）》[1]，行動計劃將先進核能技術(shù)創(chuàng)新放在顯著的位置，核燃料系統(tǒng)作為核反應堆的核心系統(tǒng)，對提升和保證核電站的經(jīng)濟性和安全性具有非常重要的作用。核燃料系統(tǒng)包括燃料組件、燃料相關(guān)組件和結(jié)構(gòu)材料。

隨著美國用戶要求文件（URD）和歐洲用戶要求文件（EUR）對第二代改進型和第三代核電廠的經(jīng)濟性、可靠性和安全性提出更高的要求[2,3]，燃料組件也朝著提高燃耗、延長換料周期、提高安全裕度和可靠性等方向持續(xù)改進和發(fā)展。燃料組件設計技術(shù)的發(fā)展與材料技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)、相互影響。先進的設計可以揚長避短、有利于充分發(fā)揮材料的特性，良好的材料性能可以解放設計思路、有利于設計目標的順利實現(xiàn)。開發(fā)先進的核燃料及其相關(guān)材料是保證核電安全高效發(fā)展的最關(guān)鍵問題。

“核燃料技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究”是中國工程院重大咨詢項目“新一代核能用材發(fā)展戰(zhàn)略研究”的一個重要專項課題[4]?！昂巳剂霞夹g(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究”涵蓋壓水堆燃料、快堆燃料以及燃料循環(huán)材料三個方向，分為三個專題：圧水堆燃料技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究、快堆及其他先進核能系統(tǒng)燃料技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究、核燃料循環(huán)相關(guān)材料發(fā)展戰(zhàn)略研究。本報告涵蓋上述三個專題報告，是“核燃料技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究”的綜合報告。

二、壓水堆核燃料發(fā)展國際趨勢

（一）壓水堆UO2-Zr燃料持續(xù)設計改進

以美國、法國、俄羅斯等為主的核電先進國家針對大型商用壓水堆形成了以ROBUST、AFA3G、TVS-2M等為主的商用燃料組件品牌，設計目標燃耗已普遍提升到約60 GWd/tU，換料周期達到18個月或更長，燃料可靠性要求不斷提高。福島核事故后，提升核燃料元件抵抗嚴重事故的能力成為新的發(fā)展方向。

燃料系統(tǒng)作為核反應堆的核心系統(tǒng)，對提升和保證核電站的經(jīng)濟性和安全性具有非常重要的作用，它包括燃料組件和燃料相關(guān)組件。不同類型燃料組件的設計在結(jié)構(gòu)上有所差異，發(fā)展至今，逐步整合為17h17等典型結(jié)構(gòu)。

我國目前的核電先進燃料組件技術(shù)，是以法國引進的AFA（Advanced Fuel Assembly）系列燃料和AP1000燃料為主，雖然基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化，但燃料組件所用主要材料，特別是鋯合金材料仍然依賴進口。我國自主品牌的先進燃料組件還在研發(fā)之中，離規(guī)?；逃眠€有很長一段路要走。實現(xiàn)自主品牌先進燃料組件商業(yè)化應用是核電強國的重要體現(xiàn)。

雖然在日本福島核事故后各國開始研究ATF燃料，但改進和開發(fā)以現(xiàn)有UO2-Zr燃料系統(tǒng)為基礎(chǔ)的燃料力度并沒有減弱。例如，西屋電氣公司第三代核電AP1000燃料組件和下一代NGF燃料組件；法國阿?，m集團（AREVA）最新推出下一代高性能GAIA燃料組件；俄羅斯推出了17h17的TVS-K方形組件。

中國核燃料組件的設計雖然起步明顯落后于美國、法國、俄羅斯等國，但近期發(fā)展較快。國內(nèi)目前正在研發(fā)的燃料組件型號有：CF系列燃料組件、STEP系列燃料組件、CAP1400燃料組件。其中，CF系列燃料組件的研發(fā)較快， CF2燃料組件將用于K2/K3首爐；CF3燃料組件采用了自主研發(fā)的N36鋯合金包殼材料，最大燃耗52 GWd/tU， CF3研制完成后將用于K2/K3的換料。中國核工業(yè)集團有限公司在2016年啟動了CF4燃料組件的設計研究，其目標燃耗為60 GWd/tU，燃料包殼為N45合金。

壓水堆的發(fā)展對包殼材料的性能提出了更高的要求，需要其具有更優(yōu)異的性能，包括耐腐蝕性能和抗吸氫性能、抗輻照生長和抗蠕變性能等。縱觀國際上對鋯合金的持續(xù)改進研究表明，鋯合金的發(fā)展方向仍然是調(diào)整現(xiàn)用合金的成分，改進加工工藝，開發(fā)新合金。在合金成分方面，Zr-Sn-Nb系合金是發(fā)展的主流，低含量Sn及適中的Nb、Fe是主要合金元素。另外，以Zr-1Nb為基礎(chǔ)，適當增加合金組元。在制造技術(shù)方面主要有多元少量合金化和大鑄錠帶來的鋯合金成分均勻性問題；大變形、低溫加工工藝技術(shù)等。在顯微組織結(jié)構(gòu)方面，需要將第二相控制在幾十納米尺度且均勻分布。

（二）前沿核燃料及材料技術(shù)發(fā)展

1. 壓水堆新型ATF燃料

福島核事故后，美國提出了ATF燃料概念[5]。相關(guān)國家均開展研究，包括美國、歐洲國家、中國、日本、韓國等。ATF燃料芯塊包括高鈾密度燃料（U3Si2，UN，UC），金屬燃料和全陶瓷微膠囊燃料（FCM）；ATF包殼包括SiC/SiCf復合包殼材料，F(xiàn)eCrAl（含ODS化FeCrAl）包殼，鉬合金包殼和Zr合金包殼涂層等。

2017年4月西屋電氣公司在全球率先正式宣布推出ATF燃料的品牌EnCoreTM，將采用U3Si2/UN芯體和SiC復合包殼[6,7]。

法國也確定了其ATF燃料的技術(shù)路線，短期包括鋯合金涂層和UO2芯塊改進，長期包括Lightbridge（LTBR）公司的金屬燃料和SiCf復合包殼[8]。

2. 壓水堆金屬燃料

金屬燃料具有良好的導熱特性，是未來有潛力的壓水堆核燃料選項之一[9]。

U-Mo燃料具有良好的導熱性、鈾密度高以及更高的安全性，從20世紀90年代中期起，美國、法國、俄羅斯等國家相繼開展了U-Mo合金燃料的研究[10,11]。近年來LTBR公司深入研究與開發(fā)U-Zr合金一體化金屬燃料，這種設計與傳統(tǒng)UO2燃料相比，燃料棒中心溫度可降低近900 ℃，從而使得燃料的安全裕度大幅度提高，這就是金屬燃料可以大幅度提升堆芯功率的原因，也為核電廠提升功率奠定了基礎(chǔ)[9]。

法馬通公司已經(jīng)與美國LTBR公司成立合資公司，推進壓水堆金屬燃料的商業(yè)化。若壓水堆（PWR）率先采用金屬燃料，PWR燃料技術(shù)將發(fā)生巨大改變。 LTBR公司的壓水堆金屬燃料將早于ATF出現(xiàn)。

除了ATF燃料和金屬燃料以外，高熵合金、材料基因工程、核燃料的多尺度分析和試驗技術(shù)也是國際核燃料及材料前沿領(lǐng)域和發(fā)展趨勢[12]。

（三）我國壓水堆核燃料及材料的發(fā)展目標和路線圖

持續(xù)開展UO2燃料的改進研究和新型鋯合金包殼研究，實現(xiàn)更先進的自主品牌燃料組件及包殼的國產(chǎn)化和商業(yè)應用。

積極開展ATF燃料研究，逐步明確ATF燃料的技術(shù)路線，并具備工程應用能力。5年內(nèi)自主品牌先進燃料組件和材料小批量入堆，10年內(nèi)大批量入堆。5年左右ATF等先進燃料突破關(guān)鍵技術(shù)，10年左右ATF等先進燃料具備入堆條件。

三、快堆及其他先進堆燃料技術(shù)發(fā)展國際趨勢

國際上已經(jīng)使用的快堆燃料形式有陶瓷燃料和金屬燃料兩大類。氧化物陶瓷燃料技術(shù)最為成熟，是目前快堆的主流燃料，特別是混合氧化物燃料（MOX）。

國際上正在研發(fā)快堆金屬燃料、氮化物和碳化物燃料。這類燃料比氧化物燃料有更高的增殖比[13]。

金屬燃料具有高熱導率、燃料溫度低、安全裕度高的特點。通過材料技術(shù)改進可以抑制輻照腫脹。快堆金屬燃料是公認的未來主要快堆燃料種類之一[14～16]。

金屬燃料的制造工藝更加簡化，金屬燃料與干法后處理（分離出的金屬為U和Pu）能夠更好地直接配合生產(chǎn)新燃料，構(gòu)成一體化燃料循環(huán)系統(tǒng)。

金屬燃料研發(fā)主要集中在U-Zr合金和U-Pu-Zr合金。金屬燃料通常由U-10Zr的二元合金或U-Pu-10Zr的三元合金組成。在氧化物燃料及金屬燃料中加入MAs成為嬗變?nèi)剂稀?/p>

混合的钚–鈾氮化物燃料和碳化物燃料是正在開發(fā)的新型燃料形式。UPuN和UPuC的钚–鈾密度比氧化物燃料高（UN中的U裝量比UO2高35%），能獲得較高的增殖比、較短的增殖時間、較好的熱導性能（熱導性能比UO2高出約10倍）并且與鈉冷卻劑和不銹鋼包殼均具有優(yōu)良的相容性[17,18]。

國際上多個國家開展了碳化物、碳化物燃料的研發(fā)和應用。美國、法國、俄羅斯、印度等國都曾開展過多種碳化物和碳化物燃料的研發(fā)[19,20]。俄羅斯快堆（除MOX以外）燃料選擇混合氮化物燃料（MNUP）作為未來的快堆燃料選項之一[19,20]。印度的試驗快堆FBTR采用碳化物（Pu，U）C燃料[21]。

由于種種原因，歐洲國家、美國和日本等的快堆及其核燃料的研發(fā)步伐被迫放慢[22,23]。俄羅斯的快堆及燃料循環(huán)研究計劃有所推遲，但仍然是獨樹一幟。 俄羅斯BN-600 、BN-800快堆設計采用MOX燃料。 目前俄羅斯快堆使用的MOX燃料數(shù)量還很有限，未來MOX燃料在快堆中的比例將逐步增加。

為了推動下一代核能技術(shù)和實現(xiàn)閉式燃料循環(huán)，俄羅斯近期推出了“突破計劃”項目，其主要內(nèi)容是開發(fā)鈉冷快堆、鉛冷快堆、MOX燃料、MNUP燃料和一體化燃料循環(huán)系統(tǒng)。MNUP燃料是俄羅斯閉式燃料循環(huán)“突破計劃”的一部分，MNUP燃料（型號ETVS）已經(jīng)完成部分輻照考驗。MNUP燃料將用于BREST-OD-300（鉛冷快堆）和BN-1200（鈉冷快堆）。

以往俄羅斯主要開發(fā)快堆MOX。近期俄羅斯改變了策略，采用“雙管齊下”的策略，計劃在VVER1000中使用類似于MOX燃料的鈾–钚混合REMIX燃料（采用回收的鈾–钚混合物加濃縮鈾）。與法國MOX一次通過不同，REMIX燃料可以多次循環(huán)（經(jīng)多次后處理），是對MOX的創(chuàng)新[24]。俄羅斯近期還提出了一臺快堆加兩臺輕水堆的雙堆型核燃料循環(huán)新構(gòu)想，可形成優(yōu)勢互補，提高效率 [25]。

我國的CDFR600快堆將采用MOX燃料，而我國行波堆將直接采用金屬燃料。中國熔鹽堆首先采用固態(tài)燃料堆，將開發(fā)改進的TRISO流床燃料。

當前快堆燃料包殼材料普遍采用改進型的奧氏體不銹鋼，鐵素體–馬氏體不銹鋼和鎳基合金。有關(guān)國家正在研發(fā)更先進的ODS不銹鋼。

就熔鹽堆而言，新型耐高溫/抗熔鹽腐蝕合金、雙金屬復合材料、C/C和SiC/SiC等陶瓷基復合材料、高致密超細顆粒核級石墨等已成為熱點研究領(lǐng)域。

四、我國快堆核燃料發(fā)展目標

MOX燃料：2025年形成MOX燃料組件的生產(chǎn)能力，完成首爐示范快堆MOX燃料組件生產(chǎn)并裝料。示范快堆MOX燃料組件的最高燃耗達到100 GWd/tHM。

金屬燃料：掌握U-Zr合金的制造技術(shù)和工藝。2030年前完成U-Zr合金金屬燃料組件的輻照考驗，燃耗達到150 GWd/tHM。

快堆及其他先進堆燃料：開展氮化物、碳化物、U-Pu-Zr、U-Pu-Am-Zr合金等先進燃料的研發(fā)，突破制造工藝及關(guān)鍵技術(shù)。

新型包殼和結(jié)構(gòu)材料：突破快堆結(jié)構(gòu)材料制造關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)在示范快堆中的應用。掌握先進鐵素體鋼制造工藝，為行波堆提供合格材料。部署ODS鋼等的研發(fā)工作，突破制造關(guān)鍵技術(shù)，為先進堆提供更高性能的燃料組件結(jié)構(gòu)材料。

熔鹽堆燃料：到2022年形成中試規(guī)模燃料生產(chǎn)能力；到2025年實現(xiàn)規(guī)?；ㄊ畤嵓墸┥a(chǎn)；到2030年實現(xiàn)工業(yè)化（百噸級）應用。

五、核燃料循環(huán)材料發(fā)展國際趨勢

我國的核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)基本齊全，但與發(fā)達國家相比（如法國）水平比較落后，包括設備、工藝和材料。就材料而言，核燃料循環(huán)的重點環(huán)節(jié)在鈾濃縮、乏燃料后處理、放射性廢物處置等。

在鈾濃縮領(lǐng)域的先進材料包括：超高強鋁合金材料、纖維增強鎂合金等金屬基復合材料、碳纖維復合材料。水法后處理的關(guān)鍵設備材料包括：溶解器材料、剪切機材料、屏蔽材料。

干法后處理的相關(guān)材料包括：耐高溫熔鹽腐蝕的結(jié)構(gòu)材料（Ti35等）、耐高溫和耐氯腐蝕合金材料、耐高溫坩堝材料、耐高溫及耐腐蝕的電極材料。重點研究方向包括Inconel625 鎳基高溫合金鋼，鉭碳合金坩堝，釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）涂層金屬或石墨坩堝，TiB2涂層石墨電極等。

釷基熔鹽堆后處理材料研究包括： 氟化揮發(fā)反應器合金材料GH3535、高致密性核級石墨材料。

放射性廢物處理材料研發(fā)的焦點主要是：冷坩堝耐高溫材料研發(fā)；玻璃固化基材研發(fā)，包括玻璃基材、玻璃陶瓷、陶瓷材料。

六、我國核燃料及材料發(fā)展建議

世界范圍內(nèi)新一輪先進核燃料競爭已經(jīng)開始。我國應積極部署ATF燃料、氮化物等先進燃料和ODS鋼等先進燃料組件結(jié)構(gòu)材料的研究與開發(fā)，提升我國核燃料和材料的自主創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力，創(chuàng)建我國先進核能系統(tǒng)的燃料和材料自主品牌，為先進核能系統(tǒng)的發(fā)展提供更高性能的燃料和材料，使我國先進核能系統(tǒng)燃料和材料盡快達到國際先進水平，引領(lǐng)國際先進核能系統(tǒng)燃料和材料發(fā)展。

（一）壓水堆核燃料及材料

壓水堆核電站是我國21世紀相當長時間內(nèi)核能發(fā)電及能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的的主力堆型。建議國家進一步加大對自主品牌先進燃料組件和包殼材料開發(fā)及應用的支持力度，為持續(xù)支撐我國核電安全高效發(fā)展和核電“走出去”奠定堅實基礎(chǔ)。國家在推進壓水堆核電站建設的同時，及早布局我國核燃料制造產(chǎn)能的提升，以滿足我國核電持續(xù)發(fā)展及“走出去”的需要。

我國應盡早統(tǒng)一規(guī)劃核燃料試驗技術(shù)設施，以建立系統(tǒng)、完善的燃料試驗體系（包括事故工況試驗），打造出技術(shù)先進、設施齊全的世界一流核燃料研發(fā)體系，以滿足核燃料發(fā)展所需的軟硬件條件。

積極部署ATF等先進燃料研發(fā)工作，積極開展高熵合金、材料基因工程、核燃料多尺度研究，大力提升我國革命性核燃料和材料技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力，早日實現(xiàn)我國自主品牌先進核燃料和材料的應用，引領(lǐng)國際先進核燃料和材料發(fā)展。

（二）快堆及其他先進堆燃料與材料

針對國家啟動的示范快堆等重大工程需求，建議國家大力支持MOX燃料、金屬燃料、氮化物燃料、熔鹽堆燃料等先進核燃料的研發(fā)，以及ODS鋼等先進燃料組件結(jié)構(gòu)材料的研究與開發(fā)，攻克核燃料和材料的關(guān)鍵技術(shù)、制造技術(shù)，滿足重大工程的燃料和材料需求，使我國到2030年在快堆燃料設計、制造和材料技術(shù)領(lǐng)域走在世界的前列。

因快堆及乏燃料后處理技術(shù)難度大且投資巨大，為了減低投資風險和提高經(jīng)濟性，建議國家借鑒法國和俄羅斯的經(jīng)驗，在閉式燃料循環(huán)啟動的初級階段采用壓水堆與快堆相結(jié)合的燃料循環(huán)過渡模式，并部署可行的頂層設計及情景設計。

（三）核燃料循環(huán)及材料

2016年12月，國務院乏燃料后處理工作會議已經(jīng)為我國的核燃料循環(huán)和乏燃料后處理的產(chǎn)業(yè)化作出戰(zhàn)略性部署。 我國構(gòu)建先進核燃料循環(huán)工業(yè)化體系的大幕已經(jīng)拉開，規(guī)劃及建設大型商用后處理廠和MOX燃料廠等設施需兼顧技術(shù)的先進性、成熟性和經(jīng)濟性。燃料循環(huán)有關(guān)重要環(huán)節(jié)的材料開發(fā)是實現(xiàn)核燃料循環(huán)工業(yè)體系的必要保證，建議國家作出統(tǒng)籌規(guī)劃，有計劃、系統(tǒng)性的大力支持有關(guān)材料的創(chuàng)新開發(fā)，保證先進核燃料循環(huán)工業(yè)化體系的順利建設。