(中廣核研究院,廣東 深圳 518031)
為了確保核燃料的安全,世界有關國家除了不斷優化整個核電站安全系統的設計外,也從加強核燃料本身的安全特性出發,不斷探索,不斷研究各種新設計、新材料、新工藝。經過多年的努力,壓水堆核燃料技術得到了很大的發展,平均卸料燃耗限值從24 GWd/t提高到57 GWd/t以上,燃料棒破損率已從20世紀70年代10-4水平到目前的10-6水平,循環長度從12個月提升至18個月以上,能力因子也從70年代的63%提高到目前的90%以上。福島核事故后燃料安全性要求不斷升級,各國積極開發各種性能更優、安全性更高的新型燃料,并提出了ATF燃料的概念,可以預見核燃料技術的發展將不斷推動核安全水平進一步提升。
高燃耗下的靈活運行需求對燃料棒包殼提出了更為苛刻的要求,是最新研究發現的新現象,比如實驗發現原LOCA準則在高燃耗下不夠保守,需要更嚴格考察高燃耗下包殼的塑性行為,為此,世界核電大國紛紛展開適用于高燃耗需求下的新型鋯合金研制。
合金成分多元化與成分微調及工藝優化相結合,不斷提升高燃耗下鋯合金的綜合性能是今后一段時間核燃料包殼的發展趨勢。
美國西屋在優化ZIRLO合金的基礎上,通過進一步降低Sn含量,調整與降低Nb含量,并通過合金成分多元化,添加Fe、Cu、V等合金元素,并配合進行相應的工藝優化,將AXIOM合金加工成具有部分再結晶態或者完全再結晶退火態來不斷提升新型鋯合金的綜合性能,使其關鍵的耐腐蝕及抗氫化性能得到了較大幅度的提升。法國在M5合金的基礎上,通過進一步添加了少量的Sn和Fe,形成超低錫四元合金,采用這種合金成分微調的方式,并通過工藝優化,使Q合金在保持其優良耐腐蝕性能的同時,進一步提高其抗蠕變性能和機械性能。從目前AXIOM鋯合金、Q合金的研發成果看,在低Sn低Nb的Zr-Sn-Nb系合金基礎上添加少量其他合金元素所形成的新型鋯合金,應是未來鋯合金發展的主要方向和趨勢。
針對大型商用壓水堆運行對燃料的更高需求,在當前商用UO2芯塊的基礎上,未來壓水堆燃料芯塊的研發重點主要集中在鈾氧化物體系(二氧化鈾大晶粒改進、二氧化鈾摻雜、微胞燃料芯塊)、新型鈾化合物體系(金屬型材料、陶瓷材料)以及全新體系(LB金屬燃料和FCM微膠囊芯塊)等方面。
在大晶粒UO2芯塊方面:與標準晶粒芯塊比較,大晶粒二氧化鈾由于晶粒尺寸增大,能夠有效抑制裂變氣體釋放和腫脹;并且較大的UO2晶粒尺寸能減少芯塊中晶界的熱障數量從而提高UO2芯塊熱導率。從燃料芯塊制造技術的發展來看,提高芯塊熱導率可以通過在UO2芯塊中添加高熱導率材料來實現。目前在西屋公司和阿海琺公司已得到應用,西屋公司的摻雜物是Cr2O3+Al2O3(ADOPT芯塊),阿海琺公司的摻雜物是Cr2O3,可以提高晶粒尺寸,控制裂變產物釋放,提高芯塊熱導率,改善PCI效應,減少事故后破損。
在UO2-SiC混合芯塊方面:在UO2芯塊中摻雜入SiC顆粒或纖維后,可以提升UO2-SiC芯塊的熱導率,降低UO2芯塊中心及平均溫度,提升芯塊在運行時的能量輸出率,減少裂變氣體釋放、降低芯體熱開裂的幾率。目前,UO2-SiC混合芯塊的問題在于經歷輻照及高溫(1 500 ℃)后,熱導率會降低。因此,其在堆芯中復雜嚴苛條件下的實際表現還有待進一步研究。
從當前芯塊技術發展看,由于UO2的優良特性且成熟,在現有二氧化鈾芯塊基礎上的改進優化將是未來至少15~20年內燃料芯塊技術發展和應用的主流。
當前壓水堆燃料組件主要代表有美國西屋公司的AP1000燃料組件、法國阿海琺的AFA 3G系列燃料組件以及俄羅斯的TVS系列燃料組件,除TVS-2 M組件以六角形方式排列外,其他均為正方形排列的棒束型燃料。
近年來,結構設計改進主要是圍繞提升燃料組件的可靠性展開,主要包括提高熱工安全裕量、提升燃料防異物能力,降低壓降、提高燃料組件抗事故能力,適應高燃耗的要求、提升防鉤掛能力等。例如,AFA 3 G AA(又稱全M5 AFA 3 G)設置了中間攪混格架(MSMG)提高熱工安全裕量,采用MONOBLOCTM變徑導向管提升燃料組件結構強度,緩解控制棒不完全插入風險等。
西屋公司在RFA/RFA-2的成熟技術基礎上改進的AP1000燃料組件,繼承了RFA/RFA-2的優秀設計,如整體型管座設計、設置保護格架、首次在14英尺(4.267 2 m)燃料中設置中間攪混格架(IFM),并采用15個格架(2個端部格架,1個底部保護格架,8個攪渾格架,4個IFM),進一步提升熱工水力學性能,提高安全裕量。采用基于Inconel-718合金的端部格架,在保證堆芯中子經濟性的同時,保證了壽期末對燃料棒的有效夾持,并采用三重防異物磨蝕措施;格架與導向管的連接采用脹接的方式,減少焊接的缺陷,增強了結構穩定性。全鋯合金的攪混格架帶有優化性能的攪混翼,添加了中部混流設計,能促進冷卻劑流過格架時的攪混效果,提高了組件的熱工水力性能。
GAIA燃料組件是阿海琺公司最新研發的燃料組件,它吸收了AFA系列及原西門子HTP燃料組件的優點,如定位格架使用AFA 3 G攪混翼(熱工水力特性好)和HTP彈簧設計特征(機械性能優良);GAIA燃料組件在改進抗異物磨蝕能力、增強抗格架—燃料棒振動磨蝕能力、加強結構穩定性等方面進行了進一步改進。GAIA組件的格架中的彈簧為燃料棒提供了八個方向的線接觸支持,使得格架柵元與燃料棒的夾持更加緊固,提高了抗格架與燃料棒磨蝕性能。更重要的是,GAIA組件采用“二元”結構設計,即包殼與骨架采用不同的新鋯合金材料(M5、Q合金),發揮各自的優勢(M5抗腐蝕性能更好,Q合金抗蠕變性能更強)。GAIA燃料組件是阿海琺未來10~20年力推的主要高性能燃料組件。
由于PWR燃料的攪渾格架(尤其是中間攪渾格架IFM)對于強化燃料包殼表面傳熱的重要性,西屋公司已經開發了具有雙層IFM的下一代燃料組件(NGF),可使得熱工安全裕度在現有燃料組件的基礎上再提高10%左右。中廣核研究院也取得類似的發明專利。這種組件的優點是顯而易見的,缺點是流動阻力會有所增加。
1.3.1 環形燃料
(1)簡介
環形燃料由于內、外同時冷卻,是一種新型、高效和安全的燃料元件,其結構如圖1所示。它由兩層包殼和環形芯塊構成,冷卻劑可同時從內、外兩個流道對燃料元件進行冷卻。這種燃料元件能夠提升堆芯功率密度20%~30%以上,并且還能達到與當前主流壓水堆燃料相當甚至更高的安全性能。

圖1 環形燃料結構圖Fig.1 Annular fuel structure
與實心燃料相比,環形燃料在形狀結構上有兩個能夠實現提高功率密度的重要因素:一是縮短了熱傳導的路徑,即減小了燃料芯塊的厚度,從而能夠降低燃料芯塊的最高溫度,提高燃料融化溫度的安全裕量;二是增加了傳熱面積,從而增大了DNBR的安全裕量。
(2)應用設計
韓國原子能研究院(KAERI)在環形燃料方面的研究比較領先,預計將其用于現有的OPR-1000壓水堆中并能使得其堆芯功能提高20%,并在不久的將來可能推出商用的環形燃料。
中國原子能科學研究院也在開展環形燃料的相關研究,包括環形芯塊設計,環形燃料棒設計和燃料組件設計。環形燃料走向實際應用需克服的主要障礙是鈾裝量的減少和結構設計變化。
法國原子能總署(CEA)提出了一種可以燒钚的壓水堆燃料組件設計(Advanced Plutonium fuel Assembly,APA),其中钚的燃料棒使用環形燃料棒,而UO2燃料棒還是使用傳統燃料棒。該設計由大的裝钚內外雙冷卻劑燃料棒和標準的UO2燃料棒組成,其結構如圖2。由于钚燃料棒的雙冷卻劑通道環形設計,具有相對低的溫度,從而減少了裂變氣體的釋放。另外钚燃料棒附近具有更高的局部慢化劑燃料比使得局部中子能譜更軟。法國通過對其中子性能和熱工水力性能分析,發現該設計方案具有可行性。

圖2 APA燃料棒排列示意圖Fig.2 Schematic of APA fuel rod arrangement注:—環形燃料棒;—標準的二氧化鈾實心燃料棒;—導向管
1.3.2 Lightbridge金屬燃料
美國Lightbridge公司開發了壓水堆金屬型燃料,如圖3所示。金屬型燃料的導熱率遠高于UO2陶瓷型芯塊,可使燃料芯塊中心溫度大幅度降低。為了克服金屬燃料的輻照腫脹問題,該燃料芯塊部分為鈾鋯合金(U-50Zr),鋯的質量分數近50%。相比于傳統陶瓷UO2芯塊,這種金屬燃料可以減少輻照腫脹數10倍。裝載這種燃料的燃料棒是一個獨特的多葉片螺旋形結構,每根燃料棒由中心金屬區、燃料核心和包殼3個部分組成。這3個部分是在制造過程中一起冶煉及加工成型的,包殼和燃料之間沒有間隙,相比傳統的燃料棒,它具有更高的機械強度和的抗彎剛度。

圖3 Lightbridge金屬燃料結構示意圖Fig.3 Schematic of Lightbridge metal fuel structure
Lightbridge燃料組件能夠極大提升現有反應堆輸出功率且安全性更高,采用釷基燃料作為Blanket區時還可減少武器級钚儲存量、降低核擴散率。
另外,Lightbridge還提出了全金屬燃料組件(AMF),如圖4所示,AMF可做成方形、六角形燃料組件。

圖4 Lightbridge的全金屬燃料組件(AMF)Fig.4 Lightbridge all-metal fuel assembly (AMF)
Lightbridge燃料組件目前處于設計開發階段,尚無實際運行反饋,因此只能通過堆內輻照檢驗后才能對其描述性能進行進一步判斷。目前,Lightbridge已與俄羅斯方面、巴威核能公司(B&W NE)簽訂了相關合作開發協議,預計到2017年開始入堆輻照。Lightbridge的PWR金屬燃料組件是對目前成熟的PWR燃料組件技術的重大改進,為后續PWR燃料組件結構優化升級和創新提供了新的思路和指導。2018年Framatome與Lightbridge成立了合資公司Enfission Joint Venture,推進PWR金屬燃料的商業化。
福島核事故后,加強核電站的安全性和對嚴重事故的預防和緩解成為關注的重點。美國于2012年提出了針對輕水堆燃料和包殼優先考慮在事故下提高安全性的要求,提出了抗事故燃料(事故容錯燃料,ATF)概念。美國能源部提出了ATF的研發計劃,目標是在2020年左右開始進行ATF燃料的反應堆試驗和應用。
由于現有UO2-Zr核燃料體系在抵抗嚴重事故性能方面的不足,ATF包殼材料的發展方向集中在高溫下與水蒸氣的友好型。目前主要的候選包殼材料有:先進不銹鋼(FeCrAl)、難熔金屬(Mo)、陶瓷包殼材料(SiC)、MAX相新型合金、鋯合金涂層或套管。而ATF芯塊的發展方向集中在包容裂變氣體能力、高熱導率、抗腫脹能力、與水不發生反應等方面,目前主要的候選燃料芯塊材料有:增強型UO2芯塊,FCM燃料、UN燃料、U-Mo燃料等[8]。
各國對ATF包殼材料的研究集中在鋯合金涂層和替代材料上。
2.2.1 鋯合金涂層
目前在研究的涂層包括金屬涂層(Cr等)、化合物涂層(ZrSi、TiAlN、TiN、TiO2等)、MAX相涂層(Ti2AlC,Zr2AlC等)、SiC涂層。在鋯合金表面覆層方面,美國在涂層材料選擇、涂層工藝研究、涂層與基體材料的相容性、涂層的堆外性能檢測等方面開展了一些研究工作,制造出了部分涂層樣品,開展了部分性能檢測,取得了相當的進展。
但已從目前的研究成果看,鋯合金涂層管材要應用于ATF,還有以下諸多問題待研究,如涂層的材料選擇及制造工藝、涂層的穩定性、輻照數據等。
2.2.2 SiC陶瓷材料
SiC陶瓷材料因其具有高溫強度高、抗蠕變、耐磨、耐腐蝕、高熱導、中子經濟性好、與水不反應等優點,成為ATF重點關注的包殼材料之一。
由SiC纖維及SiC基體材料組成的SiC復合編織材料,即SiC CMC(Ceramic Matrix Composite),是SiC包殼的基礎。在SiC CMC內層增加一層高純度beta相的單體SiC層就形成雙層SiC包殼結構。beta相的單體SiC層具有良好的中子特性、高溫特性和導熱性,而SiC CMC進一步提供強度和韌性。
目前多層SiC設計是較為主流的碳化硅包殼研發方案,包括雙層SiC結構、三層SiC結構、SiC+Zr合金混合結構。典型的多層SiC包殼結構由三層組成,即連續纖維陶瓷復合材料(Continuous Fiber Ceramic Composites,CFCC),如圖5所示,最內層是防止裂變氣體擴散的高純度beta相的單體SiC層,中間層為連續beta相SiC復合纖維材料,最外層為化學沉積的很薄的超細晶粒單質SiC涂層,以提供密封性并包容裂變氣體。CFCC是目前被認為比較有前景的SiC制作壓水堆包殼管的可行方案之一。

圖5 三層SiC包殼管橫截面結構Fig.5 Cross-section of three-layer SiC cladding tube
雖然SiC包殼材料具有很多優勢,然而當前SiC材料要達到商用程度,仍然需要解決很多技術問題,包括焊接加工問題、經濟性問題、輻照參數問題和安全審評問題,等。
2.2.3 高溫難熔金屬包殼材料
金屬鉬(Mo)的熔點高達2 623 ℃,具有良好的力學及熱物理等綜合性能,極好的高溫強度,良好的抗疲勞和抗沖擊性能,且鉬還具有良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能,鉬的熱導率高、熱膨脹系數低,在高溫下具有良好的組織穩定性和使用可靠性。
雖然鉬合金有上述優點,但是鉬合金也存在一些不足之處:
1)95Mo熱中子吸收截面相對較高;2)鉬在大于500 ℃時易于與氧或水蒸氣發生氧化,耐高溫氧化性能不足;3)鉬合金易脆,加工難度大。
針對鉬合金耐高溫氧化性能的不足,EPRI提出了基于鉬合金的多層結構及鉬合金表面涂層的解決方案,中間層為母合金,內外有涂層,以增強抗高溫氧化性能。
從目前研究看,要將鉬合金用于ATF,仍然需要解決很多技術問題,包括鉬合金的薄管加工問題。
2.2.4 MAX相新型包殼
MAX相材料以其具有與陶瓷類似的耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、高熔點、高強度等優良性能,又具有與金屬材料相似的高導電、高熱導、易加工、良好的塑性等優點,而且近期的研究表明MAX相還具備良好的耐輻照損傷性能。所以近年來MAX相材料得到了核工業界的廣泛重視。在第4代快堆、超臨界水堆、第5代聚變—裂變混合堆結構材料研發的大背景下,許多研究機構對MAX相材料的加工成型工藝、材料的堆外性能、耐輻照性能(以離子輻照方式開展)進行了初步研究,取得了一些積極的成果。
在MAX相結構體中,Ti3SiC2是研究最多的、性能已知的典型材料,Ti3SiC2不僅在高溫狀態下仍保持高強度等優良性能,又具有金屬材料的導電、導熱、易加工、良好的塑性,而且與SiCf/SiC相比,具有制造成本低,可連接性好(MAX相三元陶瓷材料可以利用其A位原子相對高的擴散系數,通過溫度場或者電場的驅動,實現無焊料情況下自身的連接),加之低活化特性以及可能的高抗輻照特性,使其有望成為新一代壓水堆ATF包殼候選材料之一。
2.2.5 FeCrAl ODS合金
新型FeCrAl ODS合金具有優異的力學性能、其高溫強度好,具有比鋯合金更高的強度和韌性,且具有極好的機加工性能和焊接性能,還具有很好的耐高溫水蒸氣腐蝕性能,是一種極富應用前景的壓水堆燃料棒包殼材料。
ODS合金(Oxide Dispersion Strengthen)是在合金基體中均勻加入具有較高熱穩定性和化學穩定性的氧化物顆粒,如Y2O3和Al2O3等,這些數量巨大且穩定的彌散相結合高密度位錯,可以將He俘獲在微細尺寸的氦泡中,達到避免氦脹和保護晶界的目的,可以大大提高合金的高溫力學性能,有效提高鐵素體/馬氏體不銹鋼的高溫蠕變性能。FeCrAl ODS合金就是目前比較有前景的一類合金。
ATF芯塊預計會采用全新體系以克服UO2-Zr燃料體系的固有安全缺陷,全新體系的燃料芯塊會徹底拋棄了現有的UO2-Zr燃料體系,甚至會拋棄UO2材料本身。ATF芯塊采用全新的芯塊結構設計避免了材料的輻照腫脹、與冷卻劑反應等方面的缺陷。具有代表性的主要有很多研究單位正在開發的FCM微膠囊芯塊、UN芯塊、U-Mo芯塊等。
2.3.1 FCM燃料
全陶瓷微密封(FCM)燃料是基于高溫氣冷堆使用的TRISO燃料發展得來的,它在芯塊結構上增加了多層防御屏障設計,提高了芯塊的安全裕量,它是ATF元件的潛在可選芯塊[6][9]。TRISO燃料已有數十年的應用經驗,技術成熟度很高,因此,FCM芯塊有較好的可行性。TRISO燃料顆粒由內核部分和包覆層兩部分組成,其中內核為球形UO2或UN燃料核芯,包覆層由內向外依次為疏松熱解碳緩沖層(Buffer層),內部致密熱解碳層(IPyC層),碳化硅層(SiC層)和外部致密熱解碳層(OPyC層)。圖6為裝有FCM的燃料芯塊的截面圖。
2.3.2 UN燃料/UN-U3Si2復合燃料
UN燃料最早被期望用于太空核反應堆,有一定的研究基礎,它是ATF(UN-USiy)和快堆燃料(U-Pu-N)的重要候選之一。UN燃料具有高熔點、高熱導率和高鈾密度等優點,有利于改善芯塊傳熱能力和提高鈾裝量,在提高燃料循環長度方面具有潛力,并能有效降低芯塊運行溫度。降低運行溫度和芯塊內外溫差對減少燃料輻照腫脹、裂變氣體釋放、芯塊熱應力及PCI效應等非常有利。
UN燃料由于防水性能差,目前一般考慮將UN和U3Si2或U3Si5混合制備成復合燃料,以改善UN的防水性能,其中U3Si2的鈾密度高于UO2,熱導率很高(但低于UN),與水的相容性好,輻照性能優秀(輻照腫脹、裂變氣體釋放等),與UN混合制備成復合燃料后,可以在不降低其他性能的前提下、提升燃料的防水性能。
除U-Zr金屬燃料外,還有U-Mo型金屬燃料。U-Mo金屬燃料的鈾密度高、γ相穩定、輻照性能優良、后處理簡單。最初U-Mo的提出是用于研究堆,使用U-Mo可以降低研究堆中U的富集度,有助于核不擴散,在ATF概念提出后,U-Mo燃料由于其出色的特性,而成為ATF的備選燃料之一。
美國西北太平洋國家實驗室(PNNL)設計了U-Mo三層共擠壓金屬燃料,如圖7,芯塊主體為空心圓柱狀U-10 Mo合金燃料(Mo質量分數為10%),最外層為包殼,在包殼與空心金屬燃料之間有緩沖金屬層,初步設計該層為含Al、Cr或Nb的合金。

圖7 U-Mo金屬燃料概念示意圖Fig.7 Schematic of U-Mo metal fuel concept
2.3.4 Micro-cell UO2
Micro-cell UO2的微觀結構類似蜂窩狀,每個晶粒之間都有類似植物細胞的細胞壁的結構,整體構成蜂窩狀,如圖8。Micro-cell UO2具有更好的包容裂變產物的能力。同時,該類芯塊還具備摻雜的可能:摻雜了Cr2O3(質量分數為3%)的該類芯塊,不僅可以降低UO2芯塊的熱膨脹性,改善導熱性;摻雜W的該類芯塊,可以降低芯塊的制造難度、增加芯塊的熱導率。
Micro-cell芯塊目前主要由韓國方面開發、研究,作為ATF的備選之一。

圖8 Micro-cell UO2結構Fig.8 Micro-cell UO2 structure
由于到目前為止,ATF燃料的包殼、芯體材料等都還處于探索之中,目前還未見到完全意義上的ATF概念已經定型的燃料組件結構設計。但有理由相信,作為中期目標或者改進型產品,基于鋯合金包殼涂層的改進型包殼或復合包殼,以及基于UO2摻雜改進的燃料芯體的新型燃料組件等,仍將沿用目前主流的17X17燃料組件結構形式。也不排除采用與某些與堆內結構設計兼容的結構設計改進(如13X13結構)。遠期而言,在ATF燃料成熟之后可以發展為獨立的燃料用于新型反應堆的設計,如小型堆或新型快堆。若燃料235U富集度可以突破,也可以適應于目前的17X17燃料組件結構形式,但棒束定位系統可以大大簡化。
福島事故后ATF的概念被提出是核燃料發展的一種機遇。由中廣核牽頭的國家能源局的ATF研究項目正在推進之中。ATF在很大程度上有別于現有的大型商用堆核燃料,既具有很強的革新性,也面臨著眾多挑戰和困難。ATF的包殼、芯塊候選材料很多,每種候選材料都各有優缺點,但要達到商用程度還有很長的路要走,需要解決很多技術難題以及很長時間的試驗/考驗研究,這就要求相關機構能長時間投入大量的人力、物力、財力,持續的努力,并且能否研究成功、能否經受住世界范圍核電站的檢驗、能否被成功選型,需要時間的考驗。
ATF代表了將來水堆核燃料技術發展的一種技術變革方向,它的成功無疑會使核能更加安全、可靠。
本文介紹了當前商用壓水堆核燃料技術發展趨勢,重點分析了ATF燃料的發展趨勢。
本文從核燃料的安全性和可靠性要求將越來越高的角度,介紹了AFA 3 G AA燃料組件、AP1000燃料組件、GAIA燃料組件、TVS系列組件,重點描述了它們在設計上有關加強燃料可靠性及提高性能的設計;新型燃料方面,介紹了環形燃料、Lightbridge金屬燃料,這兩種新型燃料設計可以使燃料中的熱交換更方便,有利于降低燃料棒溫度,使燃料棒安全裕量更高。
本文從包殼、芯塊兩個方面,介紹了當前國內外ATF燃料的技術發展情況,以及所面臨的挑戰和困難。ATF包殼方面,介紹了幾個熱門候選材料,即鋯合金包殼涂層、SiC陶瓷包殼、復合包殼、高溫難熔金屬包殼、MAX相包殼、FeCrAl ODS合金包殼,描述了它們各自的優缺點;ATF燃料芯塊方面,介紹了FCM燃料、UN/UN-U3Si2燃料、U-Mo燃料、Micro-cell UO2燃料,描述了它們各自的優缺點。
從世界范圍內看,核燃料技術在不斷發展,技術發展的首要方向就是要使核燃料更加安全、可靠,具備承受重大事故的能力,讓福島核事故不會重演。新型核燃料是否能走向市場應用需要綜合考慮安全性、可靠性、技術成熟度和經濟性。國內核燃料技術雖然起步較晚,但乘改革開放之東風、正迎頭而上,努力追趕國際先進核燃料技術,推進我國的核燃料持續創新發展。