福島核事故后，各國都在從中進行經驗反饋，避免再次發生同樣的問題。在全球核工業界的經驗反饋中，最重要的一點就是核燃料的安全性問題。通過對核燃料各方面的研究探索，核工業界提出了各種新燃料方案，不僅為應對各種可能發生的事故贏得充裕時間，還提高了核電站的安全性，核電發展也迎來了更加光明的前景。
1、福島核事故
▲日本福島核電站
2011年3月11日星期五，當地時間下午2點46分，日本東北部發生大地震，震中位于距海岸130公里處，震級為里氏9.0級，持續了大約3分鐘，這次地震造成650公里長海底水平移動10~20米，日本島向東移動了幾米，當地海岸線下沉了半米。 東日本大地震放發生時候，位于東京東北225公里處的福島第一核電站并未受太大影響。但40分鐘后，福島第一核電站被15米高的海嘯吞沒。
海嘯過后，福島電站三個在運反應堆自動關閉，但巨浪襲擊造成應急柴油發電機無法工作，冷卻系統備用電源失效。因此反應堆無法冷卻，核燃料芯溫度不斷升高，最終過熱熔化，發生氫爆，對反應堆建筑造成巨大的破壞，大量的放射性物質擴散到周圍的環境中。
福島核事故發生后，為提高核電站對核事故的耐受度，全球的核工業界開始研究先進核燃料概念，研制能夠抵抗冷卻劑損失和其他不利事件的核燃料，從而提高核燃料安全裕度。 2、改進核燃料涂層
受福島核事故經驗反饋，美國能源部(DOE)提出了事故耐受燃料研究倡議，并制定了開發計劃。該計劃于2012年啟動，預計是到2022年開始在商業堆中測試燃料棒。
在大多數商業堆中，燃料棒由二氧化鈾燃料芯塊組成，堆在鋯合金長包殼管內。鋯用作保護芯塊的屏障，在正常運行條件下非常耐腐蝕，其中燃料棒在300℃下放置在水中(在高壓力下，水不會沸騰)。
然而，如果出現溫度問題，水冷卻劑就會開始沸騰，包殼暴露在高溫蒸汽中，在高溫環境下，鋯很容易與高溫蒸汽發生反應，迅速轉化為氧化鋯，氧化鋯性質非常脆，很容易開裂，因此造成燃料保護屏障失效。
核工業界在第一代耐事故燃料中的主要做法，是在包殼上涂一層涂層，以防止鋯在事故期間直接暴露在高溫蒸汽中。 這就是海瑟(Heuser)實驗室所做的——測試傳統鋯基合金覆層上的鉻涂層。
“改進現有包層的好處是，避免出現包層破裂。”Heuser說，“目前的設計在正常運行條件下效果良好，在上面涂一層涂料，對于反應堆來說是一個很小的變數。如果發生運行突變，覆層暴露在高溫蒸汽中會很好的抵御風險。” Heuser團隊在正常操作條件下和暴露在高溫蒸汽下都進行了測試，鉻涂層表現良好。
提供反應堆動力的核燃料包含在燃料組件中，燃料組件位于300℃高壓水中，以防止沸騰。這些組件有一系列的燃料棒，其中大部分是含有二氧化鈾燃料芯塊的燃料棒。
▲鋯合金管
通常，燃料棒由鋯合金包層來保護芯塊免受水影響，但如果發生事故，水會變成蒸汽，損壞包層狀態。 事實上，鍍鉻包層已經開始出現在商業核反應堆中。 作為2012年計劃的一部分，DOE與法馬通(Framatome)、西屋(Westinghouse)和通用電氣研究公司(GE Research)三家公司簽訂了事故耐受燃料的開發合同。
法馬通(法國公司)和西屋(美國公司)都在開發鍍鉻鋯合金燃料棒。 西屋公司于2019年在伊利諾伊州的拜倫(Byron)核電站和2020年在比利時的多爾(Doel)核電站安裝了具有先進包殼的測試棒。
與此同時，2019年初，法馬通的鍍鉻燃料棒裝入美國佐治亞州沃格特爾(Vogtle)發電廠的反應堆。
所有三個反應堆目前都在使用這些升級后的燃料棒進行一些燃料循環，之后將對它們進行一系列檢查。 3、減緩核反應 事故耐受燃料的設計目的是在事故期間減緩核反應，而不是完全阻止。
“我們的目的并不是說，好吧，這已經發生了，我們就放任不管吧，三天之內自然會好起來，”Heuser說，“這從來不是我們的目的。這完全不現實。問題是：我們可以贏得多少時間?” 她指出，研究表明，鉻涂層可以在幾個小時內阻止高溫蒸汽與底層鋯包層發生反應，這幾個小時可能就是反應堆操作人員解決問題的時間。
但是，還有其他選擇，例如完全改變包層材料。 碳化硅復合材料，一種更類似于陶瓷的材料，是目前正在研究的一種潛在解決方案。這些材料具有非常好的高溫性能。
“碳化硅覆層可以耐受住800℃的高溫。”戈達德(Goddard)說。
不過，將這些復合材料制成4米長的薄壁管是一項挑戰。目前使用的是化學氣相沉積技術，一批產品需要數周的時間，這個設計的主要問題還是經濟可行性的方面。不過，英國的研究人員在NNL的支持下，正致力于改進這種制造技術。
與此同時，美國通用電氣研究公司一直在開發兩種產品：一種新的鐵基合金覆層材料，被稱為“鐵殼”(Iron Clad)，和一種鋯覆層涂層——“鎧甲”(ARMOR)。
通用電氣負責燃料項目的Russ Fawcett解釋說，“鎧甲”涂層不是鉻，是一種專利產品，公司尚未披露其成分。 與其他事故耐受燃料目標一樣，以上設計均想在嚴重事故期間為穩定電廠贏得時間。Fawcett說，研究表明，在類似于福島核事故發生的斷電情況下，通用電氣的覆層產品可以拖延核反應3到6個小時。
到目前為止，他們已在通用電氣研究公司和美國愛達荷國家實驗室的反應堆中進行了高溫蒸汽長期暴露測試，與標準鋯合金包殼相比，這兩種產品的耐高溫蒸汽性能都有所提高。
2018年，它們還被安裝在美國佐治亞州哈奇(Hatch)核電站的一個商業反應堆中，2020年，通用電氣進行了池邊檢查，該公司表示，結果顯示，原型產品工作情況良好。
目前，該公司正與美國核管理委員會(US Nuclear Regulatory Commission)合作，批準“鎧甲”產品用在核電站上，而“鐵殼”的開發也將繼續進行。通用電氣希望在2025年將“鎧甲”推向市場，四到五年后是“鐵殼”。 4、新燃料的研究
▲二氧化鈾顆粒
通過改變包殼管內的二氧化鈾顆粒，也有可能提高核燃料的事故耐受度。
在美國得克薩斯大學圣安東尼奧分校的Elizabeth Sooby Wood實驗室，研究人員正在研究先進核燃料。
在耐事故核燃料方面，Sooby Wood和她的同事們正在研究導熱性，即燃料如何有效地散熱，從而在發生不利事故時不會達到真正的高溫。
在反應堆中，所有燃料都必須高于臨界溫度。導熱性較差的燃料加熱不均勻，很容易導致燃料溫度遠高于臨界溫度。 相比之下，導熱系數更高的燃料可以在反應堆中以更均勻的溫度運行，從而降低燃料的整體溫度。同時這也意味著，燃料在事故中需要從工作溫度上升到熔點，中間也是要有一定時間的。
較冷的燃料可以帶來更高的安全系數。目前，她的團隊正在研究硅化鈾作為傳統二氧化鈾的替代品。
正如向鐵中添加材料來制造不銹鋼一樣，研究人員也在添加各種金屬來制造鈾硅化物合金。他們一直在添加鋁和鉻。在最高1600℃的熔爐中對合成的合金進行測試，并通過蒸汽模擬燃料元件和鈾化合物的冷卻暴露情況。 理想情況下不會發生反應：鈾硅化物合金不會降解或燃燒。
迄今為止，研究人員已經在200℃到1000℃的溫度下進行了蒸汽氧化試驗，結果反應良好，與普通的硅化鈾相比，新材料反應的開始時間延遲。
如今，Sooby Wood團隊和其他人正在研究通過不同的方法來整合這些金屬，以獲得進一步的反應延遲。 這個階段的工作只是基礎性的研究和開發，合金化是否有效，能否改善燃料的性能還需要進一步研究。但是如果成功的話，Sooby Wood說，這些新燃料還可以提高燃料經濟性，因為它們有更高的鈾密度：單位體積的鈾更多。
所以，對于同樣的空間，可以容納更多的裂變材料，反應堆的輸出功率更高，還可以有更長的燃料循環時間。
更高的鈾密度可以使用更先進的包層材料。Sooby Wood解釋說，更高密度的燃料會產生更多的中子，他們正在研究的一些包層材料比鋯有更高的中子俘獲率，可以吸收裂變鏈式反應中產生的更多中子。
5、核電的未來
通用電氣研究公司(GE Research)的約翰•艾倫(John Allen)表示，雖然公司將努力了解這些先進燃料的其他好處，“增加安全系數”。 他的同事，工程師埃文多利(Evan Dolley)補充說：“我們的主要目標是提高燃料的可靠性和安全性，并贏得更多處置事故的時間。這一點從來不會變。” 與此同時，Heuser認為，研究公司和核工業界已經找到了事故耐受核燃料的可行性方案。
“我認為核電的前景是光明的。我認為它需要與可再生能源一起成為平衡能源組合的一部分。”他說，“我們需要遠離化石燃料，因為全球氣候變化是一個需要解決的現實問題，核能可以而且應該成為解決其中的一個解決方案。”
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