先进核燃料的发展与创新

(中广核研究院，广东 深圳 518031)

为了确保核燃料的安全,世界有关国家除了不断优化整个核电站安全系统的设计外,也从加强核燃料本身的安全特性出发,不断探索,不断研究各种新设计、新材料、新工艺。经过多年的努力,压水堆核燃料技术得到了很大的发展,平均卸料燃耗限值从24 GWd/t提高到57 GWd/t以上,燃料棒破损率已从20世纪70年代10-4水平到目前的10-6水平,循环长度从12个月提升至18个月以上,能力因子也从70年代的63%提高到目前的90%以上。福岛核事故后燃料安全性要求不断升级,各国积极开发各种性能更优、安全性更高的新型燃料,并提出了ATF燃料的概念,可以预见核燃料技术的发展将不断推动核安全水平进一步提升。

1 当前商用压水堆核燃料技术发展趋势

1.1 包壳材料

高燃耗下的灵活运行需求对燃料棒包壳提出了更为苛刻的要求,是最新研究发现的新现象,比如实验发现原LOCA准则在高燃耗下不够保守,需要更严格考察高燃耗下包壳的塑性行为,为此,世界核电大国纷纷展开适用于高燃耗需求下的新型锆合金研制。

合金成分多元化与成分微调及工艺优化相结合,不断提升高燃耗下锆合金的综合性能是今后一段时间核燃料包壳的发展趋势。

美国西屋在优化ZIRLO合金的基础上,通过进一步降低Sn含量,调整与降低Nb含量,并通过合金成分多元化,添加Fe、Cu、V等合金元素,并配合进行相应的工艺优化,将AXIOM合金加工成具有部分再结晶态或者完全再结晶退火态来不断提升新型锆合金的综合性能,使其关键的耐腐蚀及抗氢化性能得到了较大幅度的提升。法国在M5合金的基础上,通过进一步添加了少量的Sn和Fe,形成超低锡四元合金,采用这种合金成分微调的方式,并通过工艺优化,使Q合金在保持其优良耐腐蚀性能的同时,进一步提高其抗蠕变性能和机械性能。从目前AXIOM锆合金、Q合金的研发成果看,在低Sn低Nb的Zr-Sn-Nb系合金基础上添加少量其他合金元素所形成的新型锆合金,应是未来锆合金发展的主要方向和趋势。

1.2 燃料芯体

针对大型商用压水堆运行对燃料的更高需求,在当前商用UO2芯块的基础上,未来压水堆燃料芯块的研发重点主要集中在铀氧化物体系(二氧化铀大晶粒改进、二氧化铀掺杂、微胞燃料芯块)、新型铀化合物体系(金属型材料、陶瓷材料)以及全新体系(LB金属燃料和FCM微胶囊芯块)等方面。

在大晶粒UO2芯块方面：与标准晶粒芯块比较,大晶粒二氧化铀由于晶粒尺寸增大,能够有效抑制裂变气体释放和肿胀；并且较大的UO2晶粒尺寸能减少芯块中晶界的热障数量从而提高UO2芯块热导率。从燃料芯块制造技术的发展来看,提高芯块热导率可以通过在UO2芯块中添加高热导率材料来实现。目前在西屋公司和阿海珐公司已得到应用,西屋公司的掺杂物是Cr2O3+Al2O3(ADOPT芯块),阿海珐公司的掺杂物是Cr2O3,可以提高晶粒尺寸,控制裂变产物释放,提高芯块热导率,改善PCI效应,减少事故后破损。

在UO2-SiC混合芯块方面：在UO2芯块中掺杂入SiC颗粒或纤维后,可以提升UO2-SiC芯块的热导率,降低UO2芯块中心及平均温度,提升芯块在运行时的能量输出率,减少裂变气体释放、降低芯体热开裂的几率。目前,UO2-SiC混合芯块的问题在于经历辐照及高温(1 500 ℃)后,热导率会降低。因此,其在堆芯中复杂严苛条件下的实际表现还有待进一步研究。

从当前芯块技术发展看,由于UO2的优良特性且成熟,在现有二氧化铀芯块基础上的改进优化将是未来至少15～20年内燃料芯块技术发展和应用的主流。

1.3 燃料结构设计

当前压水堆燃料组件主要代表有美国西屋公司的AP1000燃料组件、法国阿海珐的AFA 3G系列燃料组件以及俄罗斯的TVS系列燃料组件,除TVS-2 M组件以六角形方式排列外,其他均为正方形排列的棒束型燃料。

近年来,结构设计改进主要是围绕提升燃料组件的可靠性展开,主要包括提高热工安全裕量、提升燃料防异物能力,降低压降、提高燃料组件抗事故能力,适应高燃耗的要求、提升防钩挂能力等。例如,AFA 3 G AA(又称全M5 AFA 3 G)设置了中间搅混格架(MSMG)提高热工安全裕量,采用MONOBLOCTM变径导向管提升燃料组件结构强度,缓解控制棒不完全插入风险等。

西屋公司在RFA/RFA-2的成熟技术基础上改进的AP1000燃料组件,继承了RFA/RFA-2的优秀设计,如整体型管座设计、设置保护格架、首次在14英尺(4.267 2 m)燃料中设置中间搅混格架(IFM),并采用15个格架(2个端部格架,1个底部保护格架,8个搅浑格架,4个IFM),进一步提升热工水力学性能,提高安全裕量。采用基于Inconel-718合金的端部格架,在保证堆芯中子经济性的同时,保证了寿期末对燃料棒的有效夹持,并采用三重防异物磨蚀措施；格架与导向管的连接采用胀接的方式,减少焊接的缺陷,增强了结构稳定性。全锆合金的搅混格架带有优化性能的搅混翼,添加了中部混流设计,能促进冷却剂流过格架时的搅混效果,提高了组件的热工水力性能。

GAIA燃料组件是阿海珐公司最新研发的燃料组件,它吸收了AFA系列及原西门子HTP燃料组件的优点,如定位格架使用AFA 3 G搅混翼(热工水力特性好)和HTP弹簧设计特征(机械性能优良)；GAIA燃料组件在改进抗异物磨蚀能力、增强抗格架—燃料棒振动磨蚀能力、加强结构稳定性等方面进行了进一步改进。GAIA组件的格架中的弹簧为燃料棒提供了八个方向的线接触支持,使得格架栅元与燃料棒的夹持更加紧固,提高了抗格架与燃料棒磨蚀性能。更重要的是,GAIA组件采用“二元”结构设计,即包壳与骨架采用不同的新锆合金材料(M5、Q合金),发挥各自的优势(M5抗腐蚀性能更好,Q合金抗蠕变性能更强)。GAIA燃料组件是阿海珐未来10～20年力推的主要高性能燃料组件。

由于PWR燃料的搅浑格架(尤其是中间搅浑格架IFM)对于强化燃料包壳表面传热的重要性,西屋公司已经开发了具有双层IFM的下一代燃料组件(NGF),可使得热工安全裕度在现有燃料组件的基础上再提高10%左右。中广核研究院也取得类似的发明专利。这种组件的优点是显而易见的,缺点是流动阻力会有所增加。

1.3.1 环形燃料

(1)简介

环形燃料由于内、外同时冷却,是一种新型、高效和安全的燃料元件,其结构如图1所示。它由两层包壳和环形芯块构成,冷却剂可同时从内、外两个流道对燃料元件进行冷却。这种燃料元件能够提升堆芯功率密度20%～30%以上,并且还能达到与当前主流压水堆燃料相当甚至更高的安全性能。

图1 环形燃料结构图Fig.1 Annular fuel structure

与实心燃料相比,环形燃料在形状结构上有两个能够实现提高功率密度的重要因素：一是缩短了热传导的路径,即减小了燃料芯块的厚度,从而能够降低燃料芯块的最高温度,提高燃料融化温度的安全裕量；二是增加了传热面积,从而增大了DNBR的安全裕量。

(2)应用设计

韩国原子能研究院(KAERI)在环形燃料方面的研究比较领先,预计将其用于现有的OPR-1000压水堆中并能使得其堆芯功能提高20%,并在不久的将来可能推出商用的环形燃料。

中国原子能科学研究院也在开展环形燃料的相关研究，包括环形芯块设计，环形燃料棒设计和燃料组件设计。环形燃料走向实际应用需克服的主要障碍是铀装量的减少和结构设计变化。

法国原子能总署(CEA)提出了一种可以烧钚的压水堆燃料组件设计(Advanced Plutonium fuel Assembly,APA),其中钚的燃料棒使用环形燃料棒,而UO2燃料棒还是使用传统燃料棒。该设计由大的装钚内外双冷却剂燃料棒和标准的UO2燃料棒组成,其结构如图2。由于钚燃料棒的双冷却剂通道环形设计,具有相对低的温度,从而减少了裂变气体的释放。另外钚燃料棒附近具有更高的局部慢化剂燃料比使得局部中子能谱更软。法国通过对其中子性能和热工水力性能分析,发现该设计方案具有可行性。

图2 APA燃料棒排列示意图Fig.2 Schematic of APA fuel rod arrangement注：—环形燃料棒;—标准的二氧化铀实心燃料棒;—导向管

1.3.2 Lightbridge金属燃料

美国Lightbridge公司开发了压水堆金属型燃料,如图3所示。金属型燃料的导热率远高于UO2陶瓷型芯块,可使燃料芯块中心温度大幅度降低。为了克服金属燃料的辐照肿胀问题,该燃料芯块部分为铀锆合金(U-50Zr),锆的质量分数近50%。相比于传统陶瓷UO2芯块,这种金属燃料可以减少辐照肿胀数10倍。装载这种燃料的燃料棒是一个独特的多叶片螺旋形结构,每根燃料棒由中心金属区、燃料核心和包壳3个部分组成。这3个部分是在制造过程中一起冶炼及加工成型的,包壳和燃料之间没有间隙,相比传统的燃料棒,它具有更高的机械强度和的抗弯刚度。

图3 Lightbridge金属燃料结构示意图Fig.3 Schematic of Lightbridge metal fuel structure

Lightbridge燃料组件能够极大提升现有反应堆输出功率且安全性更高,采用钍基燃料作为Blanket区时还可减少武器级钚储存量、降低核扩散率。

另外,Lightbridge还提出了全金属燃料组件(AMF),如图4所示,AMF可做成方形、六角形燃料组件。

图4 Lightbridge的全金属燃料组件(AMF)Fig.4 Lightbridge all-metal fuel assembly (AMF)

Lightbridge燃料组件目前处于设计开发阶段,尚无实际运行反馈,因此只能通过堆内辐照检验后才能对其描述性能进行进一步判断。目前,Lightbridge已与俄罗斯方面、巴威核能公司(B&W NE)签订了相关合作开发协议,预计到2017年开始入堆辐照。Lightbridge的PWR金属燃料组件是对目前成熟的PWR燃料组件技术的重大改进,为后续PWR燃料组件结构优化升级和创新提供了新的思路和指导。2018年Framatome与Lightbridge成立了合资公司Enfission Joint Venture，推进PWR金属燃料的商业化。

2 新一代抗事故燃料ATF

2.1 背景

福岛核事故后,加强核电站的安全性和对严重事故的预防和缓解成为关注的重点。美国于2012年提出了针对轻水堆燃料和包壳优先考虑在事故下提高安全性的要求,提出了抗事故燃料(事故容错燃料,ATF)概念。美国能源部提出了ATF的研发计划,目标是在2020年左右开始进行ATF燃料的反应堆试验和应用。

由于现有UO2-Zr核燃料体系在抵抗严重事故性能方面的不足,ATF包壳材料的发展方向集中在高温下与水蒸气的友好型。目前主要的候选包壳材料有：先进不锈钢(FeCrAl)、难熔金属(Mo)、陶瓷包壳材料(SiC)、MAX相新型合金、锆合金涂层或套管。而ATF芯块的发展方向集中在包容裂变气体能力、高热导率、抗肿胀能力、与水不发生反应等方面,目前主要的候选燃料芯块材料有：增强型UO2芯块,FCM燃料、UN燃料、U-Mo燃料等[8]。

2.2 ATF包壳

各国对ATF包壳材料的研究集中在锆合金涂层和替代材料上。

2.2.1 锆合金涂层

目前在研究的涂层包括金属涂层(Cr等)、化合物涂层(ZrSi、TiAlN、TiN、TiO2等)、MAX相涂层(Ti2AlC,Zr2AlC等)、SiC涂层。在锆合金表面覆层方面,美国在涂层材料选择、涂层工艺研究、涂层与基体材料的相容性、涂层的堆外性能检测等方面开展了一些研究工作,制造出了部分涂层样品,开展了部分性能检测,取得了相当的进展。

但已从目前的研究成果看,锆合金涂层管材要应用于ATF,还有以下诸多问题待研究,如涂层的材料选择及制造工艺、涂层的稳定性、辐照数据等。

2.2.2 SiC陶瓷材料

SiC陶瓷材料因其具有高温强度高、抗蠕变、耐磨、耐腐蚀、高热导、中子经济性好、与水不反应等优点,成为ATF重点关注的包壳材料之一。

由SiC纤维及SiC基体材料组成的SiC复合编织材料,即SiC CMC(Ceramic Matrix Composite),是SiC包壳的基础。在SiC CMC内层增加一层高纯度beta相的单体SiC层就形成双层SiC包壳结构。beta相的单体SiC层具有良好的中子特性、高温特性和导热性,而SiC CMC进一步提供强度和韧性。

目前多层SiC设计是较为主流的碳化硅包壳研发方案,包括双层SiC结构、三层SiC结构、SiC+Zr合金混合结构。典型的多层SiC包壳结构由三层组成,即连续纤维陶瓷复合材料(Continuous Fiber Ceramic Composites,CFCC),如图5所示,最内层是防止裂变气体扩散的高纯度beta相的单体SiC层,中间层为连续beta相SiC复合纤维材料,最外层为化学沉积的很薄的超细晶粒单质SiC涂层,以提供密封性并包容裂变气体。CFCC是目前被认为比较有前景的SiC制作压水堆包壳管的可行方案之一。

图5 三层SiC包壳管横截面结构Fig.5 Cross-section of three-layer SiC cladding tube

虽然SiC包壳材料具有很多优势,然而当前SiC材料要达到商用程度,仍然需要解决很多技术问题,包括焊接加工问题、经济性问题、辐照参数问题和安全审评问题,等。

2.2.3 高温难熔金属包壳材料

金属钼(Mo)的熔点高达2 623 ℃,具有良好的力学及热物理等综合性能,极好的高温强度,良好的抗疲劳和抗冲击性能,且钼还具有良好的抗氧化和抗热腐蚀性能,钼的热导率高、热膨胀系数低,在高温下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。

虽然钼合金有上述优点,但是钼合金也存在一些不足之处：

1)95Mo热中子吸收截面相对较高;2)钼在大于500 ℃时易于与氧或水蒸气发生氧化,耐高温氧化性能不足;3)钼合金易脆,加工难度大。

针对钼合金耐高温氧化性能的不足,EPRI提出了基于钼合金的多层结构及钼合金表面涂层的解决方案,中间层为母合金,内外有涂层,以增强抗高温氧化性能。

从目前研究看,要将钼合金用于ATF,仍然需要解决很多技术问题,包括钼合金的薄管加工问题。

2.2.4 MAX相新型包壳

MAX相材料以其具有与陶瓷类似的耐高温、抗氧化、耐腐蚀、高熔点、高强度等优良性能,又具有与金属材料相似的高导电、高热导、易加工、良好的塑性等优点,而且近期的研究表明MAX相还具备良好的耐辐照损伤性能。所以近年来MAX相材料得到了核工业界的广泛重视。在第4代快堆、超临界水堆、第5代聚变—裂变混合堆结构材料研发的大背景下,许多研究机构对MAX相材料的加工成型工艺、材料的堆外性能、耐辐照性能(以离子辐照方式开展)进行了初步研究,取得了一些积极的成果。

在MAX相结构体中,Ti3SiC2是研究最多的、性能已知的典型材料,Ti3SiC2不仅在高温状态下仍保持高强度等优良性能,又具有金属材料的导电、导热、易加工、良好的塑性,而且与SiCf/SiC相比,具有制造成本低,可连接性好(MAX相三元陶瓷材料可以利用其A位原子相对高的扩散系数,通过温度场或者电场的驱动,实现无焊料情况下自身的连接),加之低活化特性以及可能的高抗辐照特性,使其有望成为新一代压水堆ATF包壳候选材料之一。

2.2.5 FeCrAl ODS合金

新型FeCrAl ODS合金具有优异的力学性能、其高温强度好,具有比锆合金更高的强度和韧性,且具有极好的机加工性能和焊接性能,还具有很好的耐高温水蒸气腐蚀性能,是一种极富应用前景的压水堆燃料棒包壳材料。

ODS合金(Oxide Dispersion Strengthen)是在合金基体中均匀加入具有较高热稳定性和化学稳定性的氧化物颗粒,如Y2O3和Al2O3等,这些数量巨大且稳定的弥散相结合高密度位错,可以将He俘获在微细尺寸的氦泡中,达到避免氦胀和保护晶界的目的,可以大大提高合金的高温力学性能,有效提高铁素体/马氏体不锈钢的高温蠕变性能。FeCrAl ODS合金就是目前比较有前景的一类合金。

2.3 ATF芯块

ATF芯块预计会采用全新体系以克服UO2-Zr燃料体系的固有安全缺陷,全新体系的燃料芯块会彻底抛弃了现有的UO2-Zr燃料体系,甚至会抛弃UO2材料本身。ATF芯块采用全新的芯块结构设计避免了材料的辐照肿胀、与冷却剂反应等方面的缺陷。具有代表性的主要有很多研究单位正在开发的FCM微胶囊芯块、UN芯块、U-Mo芯块等。

2.3.1 FCM燃料

全陶瓷微密封(FCM)燃料是基于高温气冷堆使用的TRISO燃料发展得来的,它在芯块结构上增加了多层防御屏障设计,提高了芯块的安全裕量,它是ATF元件的潜在可选芯块[6][9]。TRISO燃料已有数十年的应用经验,技术成熟度很高,因此,FCM芯块有较好的可行性。TRISO燃料颗粒由内核部分和包覆层两部分组成,其中内核为球形UO2或UN燃料核芯,包覆层由内向外依次为疏松热解碳缓冲层(Buffer层),内部致密热解碳层(IPyC层),碳化硅层(SiC层)和外部致密热解碳层(OPyC层)。图6为装有FCM的燃料芯块的截面图。

2.3.2 UN燃料/UN-U3Si2复合燃料

UN燃料最早被期望用于太空核反应堆,有一定的研究基础,它是ATF(UN-USiy)和快堆燃料(U-Pu-N)的重要候选之一。UN燃料具有高熔点、高热导率和高铀密度等优点,有利于改善芯块传热能力和提高铀装量,在提高燃料循环长度方面具有潜力,并能有效降低芯块运行温度。降低运行温度和芯块内外温差对减少燃料辐照肿胀、裂变气体释放、芯块热应力及PCI效应等非常有利。

UN燃料由于防水性能差,目前一般考虑将UN和U3Si2或U3Si5混合制备成复合燃料,以改善UN的防水性能,其中U3Si2的铀密度高于UO2,热导率很高(但低于UN),与水的相容性好,辐照性能优秀(辐照肿胀、裂变气体释放等),与UN混合制备成复合燃料后,可以在不降低其他性能的前提下、提升燃料的防水性能。

2.3.3 U-Mo金属燃料

除U-Zr金属燃料外,还有U-Mo型金属燃料。U-Mo金属燃料的铀密度高、γ相稳定、辐照性能优良、后处理简单。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,有助于核不扩散,在ATF概念提出后,U-Mo燃料由于其出色的特性,而成为ATF的备选燃料之一。

美国西北太平洋国家实验室(PNNL)设计了U-Mo三层共挤压金属燃料,如图7,芯块主体为空心圆柱状U-10 Mo合金燃料(Mo质量分数为10%),最外层为包壳,在包壳与空心金属燃料之间有缓冲金属层,初步设计该层为含Al、Cr或Nb的合金。

图7 U-Mo金属燃料概念示意图Fig.7 Schematic of U-Mo metal fuel concept

2.3.4 Micro-cell UO2

Micro-cell UO2的微观结构类似蜂窝状,每个晶粒之间都有类似植物细胞的细胞壁的结构,整体构成蜂窝状,如图8。Micro-cell UO2具有更好的包容裂变产物的能力。同时,该类芯块还具备掺杂的可能：掺杂了Cr2O3(质量分数为3%)的该类芯块,不仅可以降低UO2芯块的热膨胀性,改善导热性；掺杂W的该类芯块,可以降低芯块的制造难度、增加芯块的热导率。

Micro-cell芯块目前主要由韩国方面开发、研究,作为ATF的备选之一。

图8 Micro-cell UO2结构Fig.8 Micro-cell UO2 structure

2.4 ATF结构设计

由于到目前为止,ATF燃料的包壳、芯体材料等都还处于探索之中,目前还未见到完全意义上的ATF概念已经定型的燃料组件结构设计。但有理由相信,作为中期目标或者改进型产品,基于锆合金包壳涂层的改进型包壳或复合包壳,以及基于UO2掺杂改进的燃料芯体的新型燃料组件等,仍将沿用目前主流的17X17燃料组件结构形式。也不排除采用与某些与堆内结构设计兼容的结构设计改进(如13X13结构)。远期而言,在ATF燃料成熟之后可以发展为独立的燃料用于新型反应堆的设计,如小型堆或新型快堆。若燃料235U富集度可以突破,也可以适应于目前的17X17燃料组件结构形式,但棒束定位系统可以大大简化。

2.5 ATF的机遇与挑战

福岛事故后ATF的概念被提出是核燃料发展的一种机遇。由中广核牵头的国家能源局的ATF研究项目正在推进之中。ATF在很大程度上有别于现有的大型商用堆核燃料,既具有很强的革新性,也面临着众多挑战和困难。ATF的包壳、芯块候选材料很多,每种候选材料都各有优缺点,但要达到商用程度还有很长的路要走,需要解决很多技术难题以及很长时间的试验/考验研究,这就要求相关机构能长时间投入大量的人力、物力、财力,持续的努力,并且能否研究成功、能否经受住世界范围核电站的检验、能否被成功选型,需要时间的考验。

ATF代表了将来水堆核燃料技术发展的一种技术变革方向,它的成功无疑会使核能更加安全、可靠。

3 结 论

本文介绍了当前商用压水堆核燃料技术发展趋势,重点分析了ATF燃料的发展趋势。

本文从核燃料的安全性和可靠性要求将越来越高的角度,介绍了AFA 3 G AA燃料组件、AP1000燃料组件、GAIA燃料组件、TVS系列组件,重点描述了它们在设计上有关加强燃料可靠性及提高性能的设计；新型燃料方面,介绍了环形燃料、Lightbridge金属燃料,这两种新型燃料设计可以使燃料中的热交换更方便,有利于降低燃料棒温度,使燃料棒安全裕量更高。

本文从包壳、芯块两个方面,介绍了当前国内外ATF燃料的技术发展情况,以及所面临的挑战和困难。ATF包壳方面,介绍了几个热门候选材料,即锆合金包壳涂层、SiC陶瓷包壳、复合包壳、高温难熔金属包壳、MAX相包壳、FeCrAl ODS合金包壳,描述了它们各自的优缺点；ATF燃料芯块方面,介绍了FCM燃料、UN/UN-U3Si2燃料、U-Mo燃料、Micro-cell UO2燃料,描述了它们各自的优缺点。

从世界范围内看,核燃料技术在不断发展,技术发展的首要方向就是要使核燃料更加安全、可靠,具备承受重大事故的能力,让福岛核事故不会重演。新型核燃料是否能走向市场应用需要综合考虑安全性、可靠性、技术成熟度和经济性。国内核燃料技术虽然起步较晚,但乘改革开放之东风、正迎头而上,努力追赶国际先进核燃料技术,推进我国的核燃料持续创新发展。