Enfission公司相信，其創(chuàng)新的螺旋扭曲金屬核燃料設(shè)計(jì)有可能提高反應(yīng)堆安全性、增強(qiáng)抗擴(kuò)散能力，并降低核電運(yùn)行成本。

1、Enfission公司

當(dāng)今核能行業(yè)，比以往任何時(shí)候都面臨著更大的壓力——不僅需要提高電站運(yùn)行的有效性，還要增強(qiáng)公眾對其安全性的信心。

而先進(jìn)燃料技術(shù)是最有希望實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的項(xiàng)目，該項(xiàng)目可以降低輕水堆(LWR)運(yùn)行成本，也能提高反應(yīng)堆的安全性。

 Enfission公司正開發(fā)這樣一種燃料：光橋燃料(Lightbridge Fuel)。我們相信這種燃料技術(shù)將迅速提高核電效益，包括：增加功率輸出;更長的燃料循環(huán)和電廠壽命;減少擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn);提高事故反應(yīng)能力。

總部位于美國的Enfission公司成立于2018年1月，它將光橋公司(Lightbridge Corporation)多年的先進(jìn)燃料研發(fā)和法馬通的核燃料工程與生產(chǎn)服務(wù)結(jié)合起來，開發(fā)創(chuàng)新燃料。

Enfission公司已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，具有獨(dú)特螺旋形狀和金屬成分的“光橋燃料”推向市場之后，可以改變公用事業(yè)的發(fā)展方向，目前，他們團(tuán)隊(duì)正努力在美國核電站進(jìn)行首次示范開發(fā)燃料。

與任何新的燃料技術(shù)一樣，通過開發(fā)和示范，對反應(yīng)堆輻照、測試、先進(jìn)建模和模擬計(jì)算進(jìn)行廣泛研究，確保反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。這些開發(fā)活動(dòng)還將產(chǎn)生鑒定和驗(yàn)證數(shù)據(jù)，以確保燃料系統(tǒng)滿足客戶及其監(jiān)管機(jī)構(gòu)的嚴(yán)格要求。

2、新造型與新構(gòu)圖

Enfission公司光橋燃料設(shè)計(jì)的獨(dú)創(chuàng)性在于，其新穎的形狀和冶金結(jié)合的金屬成分，這種結(jié)合，可大幅降低燃料工作溫度，改善其結(jié)構(gòu)完整性，并增強(qiáng)其對異常事件的響應(yīng)度。

光橋燃料結(jié)構(gòu)(圖源：網(wǎng)絡(luò))

燃料棒的形狀不同于任何其他商用核燃料技術(shù)。這種燃料棒是扭曲的，不需要復(fù)雜的燃料組件間隔棒和混合網(wǎng)格，因?yàn)槿剂习羰潜旧碜匀淮嬖诟魱牛⑻峁┕潭ǖ幕旌侠鋮s劑。

5 x 5 燃料組件(圖源：網(wǎng)絡(luò))

如果沒有設(shè)計(jì)隔柵，就可以降低燃料組件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并消除碎屑造成燃料故障問題。沒有隔柵還可以降低整個(gè)組件的冷卻液壓降，從而使自然循環(huán)的被動(dòng)安全機(jī)制更加有效。

平放的5 x 5組件，中心元件為控制棒導(dǎo)管(圖源：網(wǎng)絡(luò))

金屬光橋燃料棒由三部分組成：鈾鋯合金燃料芯、耐腐蝕鋯合金屏障和中央置換劑。這些部件在燃料制造過程中通過冶金結(jié)合形成復(fù)合固體金屬燃料棒。

金屬核燃料自核能發(fā)展初期就已成功使用，包括EBR-II和世界上許多研究堆。光橋燃料使用富鋯合金，設(shè)計(jì)用于商用LWR。

金屬棒的獨(dú)特形狀和高導(dǎo)熱性特點(diǎn)，使燃料能夠在明顯較低溫度下運(yùn)行。 現(xiàn)代電廠中的常規(guī)燃料在1500℃以上環(huán)境溫度下運(yùn)行，這比光橋燃料的峰值運(yùn)行溫度高出近1000℃。

溫度降低是由于燃料的傳熱能力提高。它具有更大的冷卻劑作用面積，產(chǎn)生熱量的燃料棒與水之間的距離更小，冷卻劑混合更好，燃料導(dǎo)熱系數(shù)因此更高。

初步計(jì)算表明，這些熱特性極大提高了燃料從非正常狀態(tài)恢復(fù)的能力，我們預(yù)計(jì)，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件期間，它將超過當(dāng)前燃料的安全性能。

3、在現(xiàn)有和新反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中使用

光橋燃料的設(shè)計(jì)應(yīng)與當(dāng)下新商業(yè)堆設(shè)計(jì)的堆芯內(nèi)構(gòu)件和電廠操作程序相兼容，包括一些小型模塊堆(SMR)，使整個(gè)市場現(xiàn)有的新核設(shè)施能夠靈活滿足核電廠需求。

該種燃料能夠使電廠增加燃料循環(huán)長度和功率輸出，并且在不受當(dāng)前燃料限制的情況下，提供經(jīng)濟(jì)負(fù)荷跟蹤能力——這是全球提高可再生能源發(fā)電能力的一大優(yōu)勢。 與傳統(tǒng)燃料相比，光橋燃料的線性功率密度更高，同時(shí)保持冷燃料的工作溫度。

這種燃料與高燃耗能力相結(jié)合，可以延長循環(huán)時(shí)間，使核電廠能夠在更長的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生更多的電力。這種燃料可以使傳統(tǒng)的四回路壓水堆(PWR)在運(yùn)行24個(gè)月的燃料循環(huán)時(shí)，將功率輸出提高到4000MWt，這是一個(gè)顯著的經(jīng)濟(jì)改進(jìn)。

為充分利用光橋燃料而設(shè)計(jì)的新型反應(yīng)堆，可以實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出。發(fā)電量和周期長度的增加意味著核電廠收益的增長。

這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)的另一個(gè)特點(diǎn)：能將放射性限制在燃料棒內(nèi)。金屬燃料的低工作溫度和復(fù)合結(jié)構(gòu)是控制裂變產(chǎn)物釋放的天然屏障。由于燃料在平均溫度低于400℃的環(huán)境下運(yùn)行，裂變產(chǎn)物擴(kuò)散顯著減少，裂變氣體被困在燃料基質(zhì)中。

燃料包是放射性釋放的第二道屏障。再加上冶金燃料包殼結(jié)合(沒有燃料包殼間隙和增壓室)，沒有將氣體裂變產(chǎn)物快速釋放到反應(yīng)堆冷卻劑的機(jī)制。

反應(yīng)堆負(fù)荷跟蹤部分是根據(jù)冶金結(jié)合而啟用的。它在燃料棒組件之間設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)鏈接，因此包殼不再是燃料棒的唯一結(jié)構(gòu)元素，這降低了燃料包殼機(jī)械相互作用的影響。

與傳統(tǒng)燃料設(shè)計(jì)相比，這種燃料能夠更有效地承受反應(yīng)堆功率的周期性變化(例如，由于反應(yīng)堆啟動(dòng)和關(guān)閉)，并實(shí)現(xiàn)更快、更頻繁的功率斜坡。

4、綜合實(shí)力

數(shù)十年來，Enfission公司的合作伙伴光橋公司和法馬通一直在開發(fā)新技術(shù)，以提高核電的安全性和性能。

Enfission公司的光橋燃料開發(fā)利用了近十年的設(shè)計(jì)工程、測試和改進(jìn)，這些都源自光橋公司的釷基“種子-包層”燃料研發(fā)計(jì)劃。 由于該技術(shù)的種子組件需要高功率密度、高燃耗燃料，因此光橋公司發(fā)明了光橋燃料棒。

光橋公司于2010年宣布了新的燃料產(chǎn)品，以滿足市場的需求——能夠提高反應(yīng)堆安全性和經(jīng)濟(jì)性能的燃料系統(tǒng)。 多年來，燃料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在不斷前進(jìn)，同時(shí)，在光橋核電站燃料咨詢委員會(huì)反饋的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展，該委員會(huì)在美國50%以上的核電站都有代表。

LWR的早期燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)與釷基種子-包層技術(shù)有相似之處，在燃料組件的中心使用扭曲的金屬燃料棒，周圍有一排氧化物燃料棒。 根據(jù)光橋工業(yè)咨詢小組的反饋意見，設(shè)計(jì)方移除了外層的常規(guī)燃料棒，以消除氧化物燃料對新技術(shù)的操作限制。目前的燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)僅包括金屬燃料棒。

為了使設(shè)計(jì)更接近于一個(gè)準(zhǔn)備部署在美國反應(yīng)堆中的產(chǎn)品，Enfission公司將光橋設(shè)計(jì)概念與法馬通的燃料設(shè)計(jì)師網(wǎng)絡(luò)和最先進(jìn)的工具相結(jié)合。

法馬通設(shè)計(jì)核電站和核燃料已有60年的歷史，在法國、德國和美國擁有全球?qū)I(yè)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)和燃料制造設(shè)施。在全球，大約有225000個(gè)法馬通燃料組件裝載100多個(gè)反應(yīng)堆中。

法馬通ATRIUM 11燃料組件截面圖(圖源：網(wǎng)絡(luò))

法馬通的最新產(chǎn)品包括用于BWR(沸水堆)的ATRIUM 11燃料和用于PWR的GAIA燃料，與以前的設(shè)計(jì)相比，它們提供了更好的性能和靈活性。

5、未來之路

Enfission合資公司于2016年3月宣布成立。自那時(shí)以來，公司的燃料開發(fā)取得了穩(wěn)步進(jìn)展，同時(shí)建立了公司治理和項(xiàng)目管理結(jié)構(gòu)。

如今，Enfission公司擁有60多名工程師開發(fā)燃料及其先進(jìn)制造工藝，也正在尋找更多的員工，與全世界分享創(chuàng)新的激情，并致力于質(zhì)量和安全。

作為燃料示范計(jì)劃的一部分，Enfission公司計(jì)劃最快在2021年將光橋燃料的鉛測試棒裝入美國壓水堆，鉛測試組件計(jì)劃在2024年開始。該公司預(yù)計(jì)將宣布與美國公用事業(yè)公司達(dá)成協(xié)議，很快開始該測試。

NRC(美國核管理委員會(huì))的許可準(zhǔn)備工作也正在進(jìn)行中。雖然Enfission最終完成了金屬燃料的商業(yè)設(shè)計(jì)，但它還將開發(fā)公用事業(yè)公司可與NRC一起使用的許可支持包。

了解當(dāng)前NRC標(biāo)準(zhǔn)審查計(jì)劃后，Enfission針對常規(guī)核燃料進(jìn)行了優(yōu)化，廣泛聽取監(jiān)管機(jī)構(gòu)關(guān)于確認(rèn)光橋燃料安全運(yùn)行的適當(dāng)方法的建議。 Enfission的監(jiān)管參與計(jì)劃確定了工作計(jì)劃，在此計(jì)劃中，盡早并經(jīng)常與NRC和核法規(guī)專家進(jìn)行溝通，以確定正確的標(biāo)準(zhǔn)，最終符合NRC的安全標(biāo)準(zhǔn)。

6、大挑戰(zhàn)

各項(xiàng)清潔能源二氧化碳排放情況，光橋燃料平準(zhǔn)化度電成本最低(圖源：網(wǎng)絡(luò))

如光橋燃料的先進(jìn)核燃料技術(shù)，將改變核電行業(yè)理念。

幾十年來，LWR成為主要的商業(yè)堆型。Enfission公司正在將先進(jìn)燃料提升到一個(gè)新的水平，開發(fā)創(chuàng)新技術(shù)，并與供應(yīng)商和各種合作伙伴合作貢獻(xiàn)一份力量。這項(xiàng)十分巨大的事業(yè)，也需要全行業(yè)的努力。

在高度監(jiān)管的行業(yè)中成功部署此類創(chuàng)新技術(shù)，不僅需要市場需求，也要有政府支持。世界各地的電力公司和政府，必須充分變達(dá)他們的要求，并對先進(jìn)技術(shù)表示支持。