俄大力推進核燃料研究

為了提高核電廠運行安全水平，加強核電的經濟競爭力，俄羅斯核燃料產供集團一直積極開展核燃料研究，不僅持續推動傳統核燃料的技術進步，還在大力推進新型核燃料的商業化應用，包括供輕水堆使用的耐事故燃料(ATF)和再生混合物(REMIX)燃料以及供快堆使用的混合氧化物(MOX)燃料和混合氮化物(MNUP)燃料。

傳統核燃料

對于VVER-1000機組，產供集團已推出第四代燃料產品。第四代燃料組件在確保核電機組繼續保持高安全水平運行的同時，能夠顯著提高機組運行的經濟性，燃料成本在總發電成本所占比例將降低2%～4%。歐洲多國的VVER機組已裝入第四代燃料組件。2018年，保加利亞科茲洛杜伊核電廠裝入第三批TVSA-12燃料，捷克泰梅林電廠裝入首批TVSA-T二型燃料。

產供集團還準備推出鈾-235豐度超過5%的燃料(目前燃料中鈾-235豐度最高為4.85%)，以便將核電機組換料周期延長至24個月。目前，俄已將所有VVER-1000機組換料周期從12個月延長至18個月，與VVER-1200的換料周期相同。

2020年6月，俄啟動第三代VVER-440核燃料即RK3+型燃料的測試工作。這項工作是根據產供集團與捷克能源集團2019年簽署的燃料供應合同開展的。俄科拉4號機組自2010年以來一直在使用RK3+原型燃料。相對于前幾代VVER-440燃料，RK3+擁有更好的物理和熱工水力性能以及更長的燃料棒間距，可以優化堆芯的水-鈾比，提高燃料效率。因此運營商能夠延長機組的換料周期。

為了進入西方設計壓水堆的燃料市場，俄利用在VVER燃料研發和生產過程中積累的經驗，研發了TVS-K燃料。這種燃料能夠將核電機組換料周期延長至5年，實現更高的燃耗(70 MWd/kgU)，并具有很高的運行安全性和可靠性。2014年春季，首批測試燃料組件裝入瑞典靈哈爾斯3號機組堆芯，接受輻照測試。2016年5月，產供集團、通用電氣-日立公司和環球核燃料美洲公司組建聯合體，準備合作向美國壓水堆運營商推廣TVS-K。2016年7月，俄產供集團與一家美國核電運營商簽署在美國壓水堆試驗性輻照TVS-K的首份合同。產供集團2016年12月宣布與瑞典瓦騰福公司(Vattenfall)簽署向靈哈爾斯核電廠供應TVS-K的合同。這是首份TVS-K商業供應合同。首批TVS-K將于2021年交付。

耐事故燃料

產供集團正在研發四種能夠顯著提高現有核電機組運行安全水平的ATF方案。第一種是使用帶有鉻基耐熱涂層的包殼。涂層能夠防止鋯與一回路中的冷卻劑接觸，從而減少嚴重事故時產生的氫氣量。第二種是使用鉻鎳合金包殼。雖然這種合金的中子俘獲截面大于鋯，但其機械特性意味著包殼的厚度可以減小。第三種是使用鈾鉬合金燃料，提高鈾密度和導熱性。第四種是采用復合材料制造包殼，包括擁有較小中子俘獲截面的碳化硅材料。

2019年，核反應堆研究所完成了首批2個ATF試驗組件的反應堆輻照測試。這2個組件由新西伯利亞化學濃縮廠制造，含有2種燃料芯塊和2種包殼：燃料芯塊分別是傳統二氧化鈾芯塊和鈾鉬合金芯塊；包殼分別是帶鉻涂層的鋯合金包殼和鉻鎳合金包殼。這些芯塊和包殼組成了4種燃料棒。每個燃料組件包含24根具有不同材料組合的燃料棒，可用于俄VVER反應堆和西方壓水堆。這些燃料組件2019年1月裝入MIR研究堆，在“盡可能接近”商業壓水堆機組運行狀態的條件下進行測試。在完成首個輻照循環后，將2個組件從反應堆中移出。檢查沒有發現燃料棒幾何形狀發生改變，包殼表面也沒有受損。從中已抽取幾根燃料棒，開展進一步輻照后檢查。相關結果將被用于確定最佳的材料組合。此外，還將多個未輻照樣本裝入燃料組件，繼續在MIR進行輻照測試。

產供集團計劃于2020年利用商業核電機組對ATF燃料進行輻照測試。首批擬用于VVER-1000機組的ATF料組件已于2019年12月通過驗收測試。羅斯托夫核電廠的一臺機組將于2020年裝入3個ATF組件。每個組件含有12根燃料元件，使用了兩種包殼：一種是帶鉻涂層的鋯合金包殼，另一種是鉻鎳合金包殼。

再生混合物燃料

俄羅斯正在開發一種新的熱堆閉式燃料循環概念：REMIX燃料循環。這種燃料由回收鈾钚混合物(即通過乏燃料后處理獲得的鈾钚混合物)和濃縮鈾(鈾-235豐度最高為17%)制成，钚-239含量約為1%，鈾-235含量約為4%，中子譜與傳統輕水堆濃縮鈾燃料差別不大，因此堆芯中燃料組件的行為以及因鈾增殖產生的钚數量與傳統輕水堆燃料類似。這意味著核電運營商不需要對反應堆設計進行任何修改，也不需要采取額外安全措施，即可在反應堆中使用REMIX燃料。

REMIX燃料的換料周期為4年，燃耗為50 GWd/t。在REMIX乏燃料中，钚-239含量約為2%，鈾-235含量約為1%。在水池中冷卻5年后，可以對REMIX乏燃料進行后處理，以對有用材料進行循環利用，對裂變產物和次錒系元素等廢物進行玻璃固化，然后貯存起來等待地質處置。可以在現有的VVER-1000反應堆中對REMIX燃料進行全堆芯的循環使用，最多循環5次。因此，從理論上說，一座壽期為60年的反應堆只需要三批燃料裝料——僅需在每次循環過程中補充低濃鈾并轉移廢物。相對于開放式燃料循環，REMIX燃料每循環一次可降低約20%的天然鈾需求。

2016年9月至2017年3月，在核反應堆研究所的研究堆對REMIX燃料進行了輻照測試，獲得了關于燃料元件運行參數的初始試驗數據。

3個含有REMIX實驗燃料棒的TVS-2M燃料組件自2016年開始在巴拉科沃3號機組中接受輻照。2020年啟動了第三個換料周期(為期18個月)的輻照測試。2021年，這些燃料棒將從堆芯卸載，然后在水池中冷卻1年半，于2023年運至核反應堆研究所，供開展進一步研究。

圖1 REMIX燃料循環示意圖

俄羅斯國家原子能集團公司投資委員會2020年8月批準了西伯利亞化學聯合體燃料生產線升級改造項目。此次升級改造將使該聯合體能夠制造供VVER-1000反應堆使用的REMIX燃料。但鈾钚燃料芯塊由位于熱列茲諾戈爾斯克的礦業與化學聯合體制造。

混合氧化物燃料

俄MOX計劃于2000年啟動。當年，俄羅斯和美國簽署《钚管理與處置協定》，將各自處置34噸過剩武器級钚。擬采用的處置方式均是將這些钚制成MOX燃料，但美擬將這些燃料用于熱堆商業機組，而俄擬用于快堆機組。當時預計西方國家將向俄轉讓相關技術并提供資助，但實際上，俄在西方國家未提供任何幫助的情況下獨立推進MOX燃料的研發。

當美國2018年決定取消其MOX計劃時(詳見本刊2018年第11期相關報道)，俄MOX燃料研發工作已取得良好進展。2011年，俄通過了旨在建立快堆閉式燃料循環的長期發展戰略。此后，為MOX燃料制造撥付了大量資金。

MOX燃料制造廠位于熱列茲諾戈爾斯克礦業與化學聯合體，在地下200米深的礦井中，2014年底全面投入運行，2015年完成了首個組件的相關試驗，2018年啟動批量制造，2020年8月獲得核監管機構頒發的5年全面運行許可證，能夠全面啟動MOX燃料的批量制造。此前，該廠根據有效期同樣為5年的試運行許可證開展燃料制造工作。MOX燃料芯塊的基礎制造工藝由Bochvar無機材料研究所研發，使用的原料是貧鈾和钚。

在換裝了首批由MOX燃料廠批量制造的MOX燃料后，俄唯一的BN-800型鈉冷快堆即別洛雅爾斯克4號機組2020年1月重新投入運行。最初投運時，這臺機組裝填了由鈾燃料和MOX燃料組成的混合堆芯。其中MOX燃料由核反應堆研究所制造。

產供集團2020年7月宣布，已為別洛雅爾斯克4號機組制造整個堆芯換裝所需的MOX燃料。這批燃料將于2020年底運至別洛雅爾斯克核電廠，2021年1月開始換料。

混合氮化物燃料

相對于傳統核燃料，MNUP燃料擁有許多優點，包括更高的密度、更強的導熱性以及與液態金屬冷卻劑的更好相容性。此外，MNUP燃料的增殖比為1.4，高于MOX燃料的1.2。這意味著相對于MOX燃料，MNUP燃料能將更多的鈾-238增殖為钚-239。俄正在為BREST-300鉛冷快堆以及其他快堆研發MNUP燃料，已成功研發利用氧化物粉末制造MNUP燃料的技術，并在實驗室規模測試了利用回收鈾钚氧化物制造MNUP燃料的技術。

從2015年4月開始，俄利用別洛雅爾斯克3號機組(BN-600鈉冷快堆)對MNUP燃料進行輻照測試。西伯利亞化學聯合體2016年12月宣布，已成功完成對MNUP燃料的輻照后檢測，確認MNUP燃料對BREST鉛冷快堆的適用性。俄原集團2020年6月宣布，反應堆輻照測試已經證實MNUP燃料的安全性；輻照測試進展順利，已有1000多根燃料棒接受輻照，沒有出現降壓情況，證明燃料元件外殼的完整性得到保持；“原則上，我們準備證明MNUP燃料可適用于任何快堆。”

MNUP燃料研發和制造是旨在實現閉式核燃料循環的“突破”計劃的重要組成部分。根據“突破”計劃，俄原集團正在西伯利亞化學聯合體建設一個中間示范電力綜合體(PDPC)，包括一個MNUP燃料制造/再加工模塊、一座BREST鉛冷快堆和一個乏燃料后處理模塊。燃料制造模塊2014年8月啟動建設。根據最初的計劃，燃料制造模塊、反應堆和后處理模塊應分別于2018年、2020年和2022年建成。根據俄原集團最新公布的信息，上述三個模塊的建成日期已分別推后至2021年、2026年和2028年。

在“突破”計劃中，俄還計劃將從乏燃料中提取的次錒系元素納入燃料基體。Bochvar無機材料研究所2019年8月宣布已成功研發一種實驗性高壓電脈沖壓縮裝置，可用于制造含有次錒系元素的MNUP燃料芯塊。這一裝置可大幅簡化芯塊制造過程，其主要優點是能夠同時高速進行壓制和燒結操作，在脈沖性放電和壓力的作用下，能夠獲得給定密度和幾何尺寸的燃料芯塊。這項技術可以大幅減小生產空間，降低能耗，并簡化遠程操作。

次錒系元素氮化物的熱化學穩定性較低，如果采用現有的MNUP燃料芯塊制造工藝(加壓和高溫燒結)，它們會在芯塊制造過程中蒸發。

小結

為了提升核電廠運行經濟性和安全性，俄羅斯持續推進傳統核燃料研究，迄今已推出四代VVER-1000燃料和三代VVER-440燃料。俄還專門研發了適用于西方壓水堆的燃料，并成功進入西方壓水堆燃料市場。

俄積極開展新型核燃料研究，并不斷取得成果：ATF燃料已完成研究堆輻照測試，即將在商業機組中接受考驗；REMIX燃料已在研究堆和商業機組中接受輻照測試，即將商業化生產；MOX燃料已投入實際應用，BN-800機組即將實現全堆芯MOX燃料運行；MNUP燃料的反應堆輻照測試工作也進展順利。