“事故容錯燃料”讓核安全升級
作者:環境與生活網  2016-07-27 22:12:25
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    6月23~24日,“2016事故容錯燃料技術國際研討會”在深圳舉行!笆鹿嗜蒎e燃料”這一新提法聽起來很拗口,但被視為近50年來核燃料領域的一次重大技術革命,是未來核燃料領域的投資和研發重點。我國和其他核能大國當下已紛紛就事故容錯燃料進行布局,以搶占未來核燃料的話語權。國家環保部核與輻射安全中心,是國家科技重大專項“事故容錯燃料關鍵技術研究”課題的聯合申報單位之一。作為一項備受器重的新技術,事故容錯燃料能給核與輻射安全帶來多少貢獻值呢?

核反應堆中包含上百根燃料棒

 

    我國新燃料研究有進展
 
    事故容錯燃料(Accident Tolerant Fuel,簡稱ATF),是為提高燃料元件抵御嚴重事故能力而開發的新一代燃料系統。與現有核燃料相比,這種新型燃料系統能夠在較長時間內抵抗嚴重事故工況,同時保持或提高其在正常運行工況下的性能。事故容錯燃料的材料特性,能延緩事態惡化的速度,為人們采取應急措施爭取到更多寶貴時間,大大降低放射性原料突破安全屏障泄漏到環境中的風險!叭蒎e”一詞由此得來。
    中廣核研究院院長龐松濤在會上介紹,中國的《能源技術革命創新行動計劃2016~2030》與《能源技術革命重點創新行動路線圖》中,明確了事故容錯燃料研發任務,設立了重大科研專項,由中廣核牽頭,聯合國家電投、中科院、中國工程物理研究院等業內主要企事業單位,以及清華大學、西安交通大學等高校,組織起一支國家級研發團隊和產業聯盟,擬在10~15年內為該項目投入企業自有資金超過20億元人民幣,確保項目成功。

 

碳化硅做成的燃料包殼結構示意圖

 

    燃料系統是核安全第一關
 
    在核電站中,核燃料這個概念既可以指裂變供能的燃料本身(鈾-235),也可以指由燃料材料、結構材料、中子慢化劑等組成的燃料系統。如核電站壓水反應堆采用的燃料形式,是鈾混合物粉末燒結成的二氧化鈾陶瓷芯塊(燃料塊),這種燃料塊能把90%以上的放射性裂變產物滯留在其中,是核電站的第一道安全屏障。

    幾百個燃料塊排成一列縱隊,被密封在直徑比燃料塊稍大、長約三四米的鋯合金套管內(也叫燃料包殼),構成燃料棒,再組成燃料組件。上百個這樣的燃料組件就形成了一個核反應堆的堆芯。在核電站中,燃料包殼肩負著阻止裂變產物外泄、隔離燃料塊和冷卻水(避免二者發生反應)、把裂變產生的熱能傳出去等功能,是核電站的第二道安全屏障。

    事故容錯燃料的革新,就發生在這兩個環節。

核反應堆所用的燃料,由一個個長度和直徑均為一厘米左右的二氧化鈾陶瓷芯塊組成。
 
    福島核電站是被“熱死”的
 
    鋯合金之所以當選燃料包殼的材料,是因為它具有中子吸收截面小、熱導率高、低溫耐水腐蝕性高等優點。然而在日本福島核事故中,它卻因為扛不住巨量的“衰變熱”,成為核電機組爆炸的推手。
    不同于家里即關即停的電磁爐、熱得快等電加熱設備,核反應堆即使停止運行后,由于裂變產物的衰變,仍會在很長一段時間內持續發出相當于發電功率百分之幾的余熱,這就是衰變熱。這個比例雖然不起眼,但熱能的量級還是很可觀的。由于核電站斷電后燃料棒和冷卻水無法循環換熱,如不及時冷卻反應堆,燃料棒就會在衰變熱的作用下不斷升溫。超過1200攝氏度后,燃料棒中的金屬鋯就會和水/水蒸氣發生氧化反應,造成燃料包殼失效,產生大量氫氣。一旦高溫高壓的氫氣遇到氧氣,就會與它結合成水,并伴隨著劇烈的“愛之火花”——爆炸。福島核電站的爆炸就是這么來的。
    因這一事故的警示,世界核工業界和科學界意識到,有必要對核燃料包殼材料的安全性提出新的要求,特別是防止反應堆因缺乏冷卻而過熱,于是提出了事故容錯燃料的研究方向,希望研制出一種更能扛得住事故、顯著降低堆芯熔毀概率、避免或延緩氫氣產生和放射性物質泄漏的燃料系統,替代現役的二氧化鈾-鋯合金燃料系統。
 
    新燃料研發 十年磨一劍
 
    其實,事故容錯燃料的研究并非后福島時代才開始的。美國西屋電氣公司早在2004年就啟動了事故容錯燃料項目。
    美國能源部指出,事故容錯燃料需要做到以下幾點:
    ① 給核電運營者更多“處理時間”來應對事故狀況;
    ② 能夠在2022年之前實現商用;
    ③ 繼續使用且不影響原本的鈾燃料循環;
    ④ 商業運營可行。
    美國能源部為事故容錯燃料的研發制定了可行性研究(2012~2015)、開發與資格認證(2016~2021)和商用(2022)3個階段。
    第一階段的工作是試水,包括建模、制造小比例設備原型、輻照測試、蒸汽反應測試、機械性能測試、熔爐測試等等,說白了就是用個實驗室級規模的小組件試水,然后評估它的經濟性、安全性,及對運行動態、核燃料循環和環境等方面的影響。
    第二階段主要是挑選燃料棒的材料,再對工業級規模的試驗反應堆進行瞬態輻射測試、鉛組件測試等一系列復雜測試,并且拿下相應的“學歷”和資質。由于專業性太強,這些測試就不展開介紹了。
    第三階段自然就是要拿出萬事俱備的成品在正規商用核電站服役。10年光陰是否能磨出一柄好劍,就看這最后一哆嗦了。

 

燃料芯塊的組裝過程

 

    “容錯”難在“少吃多跑”
 
    當核電站冷卻系統因事故趴窩后,新型燃料系統的燃料包殼能否在較長時間內撐住衰變熱帶來的高溫,以及燃料塊對裂變產物的滯留能力能否進一步提升,是研發和設計的首要目標。同時,新型燃料系統還必須很好地兼容現役的核燃料生產設備等,以保證商用核電站有足夠的經濟性和可靠性。這無異于是讓馬兒既要跑得快又要吃得少,對事故容錯燃料的設計和選擇是個不小的挑戰,因此也吸引了各核能大國紛紛就事故容錯燃料進行布局,以搶占未來核燃料的話語權。
    美國、法國、韓國、日本等國家的核能機構,都已經把事故容錯燃料作為下一步重點發展方向?梢哉f,這種高安全性技術已在國際核能界業掀起一股科技研發熱潮。

 

采用事故容錯燃料技術的燃料棒結構示意圖
 
    鋯合金“接班人”更耐高溫
 
    選擇性能更優越的材料,是開發事故容錯燃料的關鍵。美國橡樹嶺和洛斯阿拉莫斯國家實驗室發現,鐵鉻鋁合金和鉬合金是兩種耐高溫、耐氧化和耐腐蝕性能出色的金屬合金,其中金屬鉬有著高達2600攝氏度的熔點,屬于難熔金屬,而且高溫下仍有很高的強度和抗蠕變(固體材料在恒定受力下變形程度隨時間增加的現象)性,低溫時又有良好的延展性,若用作燃料包殼的涂層,可以增強燃料棒在高溫下的抗氧化性能。 
    美國西屋電氣公司則青睞“碳化硅復合陶瓷”作為燃料包殼的防護涂層。碳化硅是目前硬度僅次于金剛石的材料,它化學性質穩定、導熱系數高、熱膨脹系數小、耐磨性好。西屋公司的項目工程師艾德說,這種材料的加盟,有望把燃料棒的耐熱能力提升到1800攝氏度。同樣可以改進的還有高密度燃料芯塊,比如鈾硅化物和一氮化鈾,這兩種新材料的導熱率比目前所用的二氧化鈾分別提升了5倍和10倍,鈾-235的含量則分別提升了17%和35%,這就能在不降低發電功率的情況下,減少燃料用量和體積,燃料芯塊在冷卻系統失靈時也不容易聚集熱量,安全性和經濟性都得到改善。   
 
    我國“華龍一號”有望最先應用
 
    事物的發展都有一個從無到有、從弱到強的過程。幾十年前的汽車連轉向燈和安全帶都沒有,而今天,就算用安全氣囊把人裹成一個繭也不足為奇。核電站也是如此,60多年來,核電站的安全性能節節拔高。而事故容錯燃料,將是核與輻射安全提升的重大新成果。據透露,我國事故容錯燃料研制過程中的各項成果,可直接應用于我國自主研發的第三代核電技術“華龍一號”的改進上,最終實現中國自己的新型燃料系統,使中國的事故容錯燃料技術走在世界核能技術潮流的前沿。

    美國工程院院士史蒂芬·津克爾教授指出,作為當代和下一代核反應堆設計的重要部分,事故容錯燃料正深刻影響核能科技的發展方向,是核安全“游戲規則”的改變者。   
(本文在撰寫過程中參考了維基百科英文網、中國核網、中國廣核集團網站、美國能源部、美國西屋公司等網站的相關資料,特此聲明并致謝。)
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