ATF研发的一些问题与分析

赵瑞瑞　王虹

【摘 要】本文介绍了ATF燃料的基本要求与国际及国内ATF燃料芯块和包壳的研发现状，分析了目前ATF研发存在的关于研究目标、技术路线及应用目标的主要问题，重点阐述了对ATF燃料研发的一些建议与思考。

【Abstract】 This paper introduces the basic requirements of ATF fuel and the research and development status of ATF pellet and cladding at home and abroad. The main problems existing in the research and development of ATF are analyzed， such as the research target， technical route and application target. Some suggestions on the development of ATF fuel are discussed.

【关键词】核燃料；事故容错；包壳；芯块

【Keywords】nuclear fuel； fault-tolerant； cladding； pellet

【中图分类号】U463 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）05-0170-02

1 ATF燃料的基本要求和研究方向

ATF燃料的研发，是以反应堆正常和事故工况下燃料的行为和失效机理为根本出发点，以从根本上克服UO2-Zr燃料的缺点为目标，同时不能削弱UO2-Zr燃料的现有优势。

1.1 ATF包殼材料的研发方向

①改进型锆合金，利用先进材料及工艺对锆合金包壳进行涂覆以增强其性能，涂层包括SiC、MAX相及其他；

②陶瓷基复合材料，包括SiC复合包壳、MAX相材料等；

③金属包壳，FeCrAl合金和Mo合金等难熔金属。

1.2 ATF芯块材料的研发方向

①新型UO2燃料，即对UO2燃料进行改进，使其符合ATF的特征；

②铀合金，例如U-Mo合金、U-Zr合金等；

③高密度陶瓷芯体，包括U3Si2、UN等；

④全陶瓷微封装（FCM）芯体。

1.3 ATF燃料的研发方向

综合考虑安全性、经济性和技术风险，一般认为基于现有UO2-Zr合金包壳系统发展的改进型UO2芯块和改进型锆合金包壳由于技术风险和成本较低，是有望在近期得到应用的ATF技术。而陶瓷基包壳、FCM燃料、高铀密度芯块等具有较高技术风险和成本压力，但属于具有显著性能优势的未来ATF技术。

2 ATF燃料的研究现状及存在的问题

2.1 ATF燃料研究现状

2.1.1 ATF燃料总体研发现状

从一些资料来看，世界范围内针对ATF燃料的材料开发与系统评价研究在短时间内得到了迅速发展，目前针对ATF包壳和芯块已经形成了多种候选技术方案，相应的可行性评估、材料工艺优化、性能验证及辐照考验工作正在开展，形成了涵盖近期、中远期的发展与应用路线图。

美国的ATF计划从2012年启动，目前AREVA、GE、W.E.C.组成的工业界团队包括SiC、FeCrAl、Cr合金、Mo合金在内的ATF包壳材料，以及改进型UO2芯块、U3Si2芯块等ATF芯块的研发已接近完成，并已开始初步的验证试验工作。美国计划于2016至2017年度开始针对多种ATF候选技术方案的系统性验证试验工作，最终目标是在2022年左右实现LTR/LTA进入商用堆。

国内的ATF燃料研发计划始于2013年，该计划将实现ATF在压水堆、模块化小型堆和未来先进反应堆的应用。该计划计划于2019年实现ATF燃料的中试生产，2024年实现压水堆LTR/LTA入堆，2026年实现ATF燃料批量生产和模块化小堆LTR/LTA入堆，2028至2035年完成用于未来先进反应堆的ATF燃料的最终设计。

2.1.2 ATF芯块研发现状

在ATF芯块研发方面，从公开资料看，目前中国工程物理研究院已开展研究的包括改进型UO2芯块（大晶粒、高热导）、FCM燃料及TRISO颗粒、高铀密度（U-Mo、U-Zr）燃料在内的多种ATF芯块，开发了多孔的U-Mo、U-Zr合金燃料，相比UO2芯块显著改善了热导率、机械性能以及对裂变气体的容纳能力。中核北方开展了UO2-BeO高热导芯块研制，研究结果表明，在BeO添加量在3%时，芯块的热导率提升就超过了1倍，芯块其他性能与单纯的UO2芯块基本一致。韩国提出了Microcell芯块（金属微囊芯块），并开展了性能验证。清华大学在不断改进TRISO颗粒及其制备技术，其目的是在水堆燃料上加以应用。

2.1.3 ATF包壳研发现状

在ATF包壳研发方面，改进型锆合金包壳、新型金属包壳和复合陶瓷包壳的研究都在进行中。中广核集团针对SiC/SiC复合材料包壳和MAX相包壳已提出了多种技术方案，并已开展相关制备工艺和性能检测技术开发；美国ORNL指出并提出相应的解决方案，相关中子辐照试验计划于2016年年底开展。但总体认为，改进型锆合金包壳和新型金属包壳由于具备技术经济优越性有望在近期得到应用，陶瓷基材料性能优越，依然是未来的理想包壳材料。

2.2 目前存在的问题

①ATF燃料研发的概念清晰，方向明确，但研究目标模糊，即“有方向、没目标”；

②ATF燃料研发的时间路线清晰，但技术路线模糊，对技术路线有所回避；

③ATF燃料的应用目标有所动摇。

3 关于ATF燃料研究后续工作的一些想法

①ATF燃料的应用目标是商用水堆，这一根本目标不能动摇，这是研发工作开展的前提和基础。

②从ATF燃料的概念入手，制定研发目标和评价标准。

③围绕ATF燃料的概念和应用目标，将材料预研和燃料的工程化（产业化）研究相结合，制定ATF燃料研发的技术和应用路线图，要准确判断各种技术路线的成熟程度，在技术和应用路线图的制定上要有清晰的思路。

ATF燃料的本质是解决储能问题，其终极解决途径（也就是ATF燃料研发的终极目标）是在燃料材料学上的巨大突破。但能同时满足所有要求的材料很难选择，因此，这一突破不可能在短时间内完成。因此，要想使ATF燃料以最快的速度在商业堆上得到应用，ATF燃料的研究重点就不能局限在燃料材料的研发上，要在燃料的结构形式改进和综合性能提升上多想办法。就这一问题，有如下建议。

首先，材料、结构、性能、与现有商用堆相容性和UO2-Zr燃料一致的燃料应作为ATF燃料的首选，并作为ATF燃料研发的近期目标，其目标是尽快实现工程化。

环形燃料和FCM燃料是不错的思路。环形燃料由于采用了中空的结构，有效降低了芯块的中心温度，很好地解决了芯块中心的储能问题，缓解了锆水反应。FCM燃料在UO2燃料颗粒外包覆碳化硅，增加多层防御屏障，既提高芯块导热能力，又把燃料芯体限制在碳化硅包覆层中。事故工况下，确保锆包壳不熔，裂变产物不释放。FCM燃料不改变现有燃料的结构，材料成熟，性能确定，与目前的商用堆完全兼容，现在只需做芯块性能设计、评价，要解决的技术问题是最少的。

其次，现有UO2-Zr燃料芯块、包壳材料的改进性研究可作为ATF燃料研发的中期目标，材料研究与工程化应用同步开展。

对于芯体材料，改进型研究的重点是提高其热导率和裂变气体的储存能力。例如高热导芯块或大晶粒UO2芯块，与之相匹配的包壳可以为现有的锆合金或改进型锆合金。

对于包壳材料，主要是目前正在开展的改进型锆合金或表面涂覆及其技术研究。

最后，新型芯体和包壳材料研究可作为ATF燃料研發的远期目标，以材料预研为主。

在ATF燃料研发上，要有长远的眼光，要有技术储备，因此，必须瞄准未来方向，在新材料开发方面开展技术预研，包括U3Si2、UN等陶瓷芯体、UMo合金等金属芯体、SiC、MAX等复合陶瓷基包壳、FeCrAl等金属包壳等新型材料的预研。材料筛选是一个非常庞大的工作，非短时间内能够完成，因此，即便是预研，也应该有非常清晰的思路，有清晰的材料设计和评价体系。

④重视设计。充分从整体考虑，优选出芯块和包壳匹配综合效果最好的方案，才能有效降低材料研究的难度；在燃料研发上，要评估新开发的燃料系统相对于现有燃料系统的性能，评估其关键属性。要充分设计ATF的具体参数，才能在包壳和芯块材料的研制中有明确的目标，定位准确，设计和制造工艺要紧密结合，相互迭代。以达到少走弯路，事半功倍，加快研发速度的目的。

⑤在材料研究的同时，加强辐照性能的研究。可采用离子辐照、中子辐照等技术，至少可以判断趋势，因为对于反应堆材料而言，最终都要落脚到辐照性能上，这样可以避免走弯路，或走错方向。