ATF的部署可以提高核電站安全裕度，優化核燃料循環，減少高放廢物，同時實現更高的濃縮和燃耗極限。

1、ATF發展迅猛

EnCore的ATF鉛測試組件已安裝在比利時的杜爾核電站4號機組中，
成為世界上第二座商業核電站，也是歐洲第一座安裝了EnCore組件的核電站。

事故耐受燃料(ATF)的設計，主要是為了應對反應堆堆芯失去主動冷卻時出現的問題，ATF耐受性比傳統燃料設計的時間更長，并在正常運行期間保持和改善燃料和核電站的性能。

在假設的事故場景中，ATF設計提供了更具彈性的性能，并支持更高效的正常運行，包括更好地將工廠與可再生能源整合的能力。

2011年福島第一核電站事故發生后，美國國會、美國能源部(DOE)和核工業界都認識到，加快ATF技術的研發已成為當務之急。

因此，DOE啟動了一項為期10年的計劃，目標是到2022年將具有增強事故容限的測試棒插入商業反應堆。

在核工業的大力支持下，在過去的18個月里，該項目已經達到了重要的里程碑，比國會制定的ATF實施目標早了四年。

這些里程碑包括2018年2月將全球核燃料公司(GNF)的IronClad和ARMOR ATF鉛測試組件(LTA)插入南方核運營公司的哈奇工廠。

ARMOR LTA的裝載包含分段棒，以簡化未來的燃料檢查活動，這是商業核電站首次部署含有ATF的芯塊。

2019年3月，南方核能公司將世界上第一個采用法馬通PROtec設計的全長ATF燃料棒裝載到沃格特勒(Vogtle)核電站2號機組中。

拜倫核電站

今年晚些時候，西屋公司和GNF計劃將其EnCore和ARMOR/IonClad ATF LTA分別插入Exelon的拜倫(Byron)核電站2號機組和克林頓(Clinton)核電站反應堆。

此外，一些國家通過OECD核能機構、國際原子能機構和歐洲原子能共同體制定了ATF計劃和聯合國際ATF計劃。

2、設計標準

根據與Xcel Energy簽訂的合同，法馬通將為美國蒙蒂塞洛核電站提供PROtect EATF 技術和ATRIUM 11燃料。
法馬通表示，這將是PROtect計劃下首次向沸水反應堆交付EATF原型棒。

為了確保這些新燃料設計，協調的廣泛適用性，并為開發商和其他利益相關者提供投入，美國核工業成立了ATF工作組。

該小組由核能研究所協調，包括來自NEI、DOE、燃料供應商、電力研究所(EPRI)、核電公用事業公司和其他行業專家的代表。

此外，核管理委員會發布了《美國核管理委員會高效和有效許可事故耐受燃料項目計劃》，該計劃概述了其為對供應商提交的文件進行安全審查做準備的活動。

為了促進行業的廣泛采用，行業制定了以下ATF設計標準：

■ 可接受的中子吸收截面，以確保足夠的運行和經濟性能。

■ 適用于當前輕水反應堆(LWR)機組的制造和配置的可修改性。

■ 充足的原材料供應，以滿足全球LWR大軍的運營需求。

■ 在正常操作條件下與當前LWR冷卻劑的兼容性。

■ 滿足現有設計、操作、可靠性和許可要求的能力。

3、部署計劃

美國克林頓核電站

正在積極開發的ATF概念，根據其全面核心部署的預期時間表，分為近期或長期。

近期概念可以使用當前的許可結構、法規和監管指南進行許可審批。預計到本世紀20年代中期，這些近期概念在商業上是可行的，可以進行全核心部署。

長期概念仍在開發和測試中。這些設計概念可能需要制定和采用修訂后的監管框架。因此，在商業反應堆全面部署之前，預計它們需要更長的時間來開發和許可。

商業反應堆運營商采用ATF最終將是一個商業決定。行業決策者的一個關鍵指標是ATF部署時間框架。

這些ATF概念越早部署，在電廠的剩余壽命內，其安全性和經濟效益就越早實現。

理想情況下，ATF將提高工廠安全性，同時可能降低運營成本并提高工廠效率。

應該注意的是，術語“安全效益”意味著安全性的提高——比標準鋯/二氧化鈾基(Zr/UO2)燃料的性能增加了裕度。

先進核燃料的研究、開發、許可和部署代表著燃料供應商、運營公用事業公司、研究機構、監管機構和其他政府機構之間的大量投資和合作。

為了使任何新的燃料技術在經濟上可行，都需要巨大的安全和經濟效益，來證明采用和廣泛實施新技術的合理性。

這些好處可能包括增加安全裕度、提高燃料可靠性、提高經濟性、優化燃料循環操作策略和減少廢物產生等。

在過去的一年里，美國核工業一直在積極追求ATF的概念，目標是在本世紀20年代初至中期部署燃料。

因此，EPRI對ATF技術的潛在安全性和經濟效益進行了評估，包括實施更高的鈾富集度和排放燃耗。

4、EPRI評估ATF價值

在過去的30年里，EPRI一直在與關鍵的政府、監管和商業利益相關者合作，并對具有更高可靠性、安全性、效率和性能的先進燃料進行研究。

雖然EPRI沒有開發特定的ATF技術，但它正在向公共和私營利益相關者提供關鍵的安全、經濟和運營技術分析，以支持ATF實施的戰略決策。

商業反應堆業主和運營商早期采用ATF的前提，需要評估ATF的潛在效益以及相關的實施成本。

2017年，EPRI對ATF的潛在預期性能進行了初步評估。這項工作旨在評估和量化ATF提供的各種安全增強功能。

針對一些假設事故，對每個ATF概念的性能進行了評估。

對關鍵事故順序進行了安全分析，并將ATF結果與使用當前Zr/UO2燃料設計計算的結果進行了比較。

帶有Encore ATF鉛測試棒的燃料組件(圖源：西屋公司)

在這一初步評估之后，EPRI對其他事故場景進行了研究，進行了燃料循環優化評估(增加濃縮和排放燃耗)，并探索了以前沒有研究過的其他優勢。

這些確定了三個潛在提高經濟效益的主要方向：(1)提高燃料可靠性，(2)更高效的燃料循環，可以減少產生的廢物量，以及(3)更穩健的燃料性能，從而提高操作靈活性。

這些潛在的經濟效益，可以大幅降低成本和/或提高工廠的運行性能。

EPRI分析是與廣泛的行業利益相關者合作進行的，結果由同一個不同的小組仔細審查。

這些分析為ATF利益相關者提供了對ATF部署所帶來的潛在安全和經濟效益的全面和獨立評估。

5、ATF發展優勢

圖1：堆芯融化質量的TMI-2基準結果，單位：磅(lb)

圖2：堆芯局部最熱溫度的TMI-2基準結果，單位：°F

EPRI的初步發現包括以下內容：

■ 對于反應堆冷卻長期失效事故場景，ATF在堆芯損壞時，將處理事故的時間增加了約一到兩個小時。

■ 由于一些ATF概念研究，堆芯損壞進一步推遲了幾個小時。在沒有緩解措施的情況下，系統會因熱管段故障(即熱管段蠕變破裂)而減壓。冷段中隨后的蓄能器注入可能會導致堆芯額外冷卻，從而進一步延遲堆芯損壞。這種情況適用于某些PWR電站停堆事件。

■ 根據使用EPRI的模塊化事故分析程序軟件，對三英里島核電站2號機組事故的評估，ATF可能已經能夠預防或至少減少該事件的堆芯損壞(見圖1和圖2)。

■ 根據初步概率風險評估，在沒有采取額外緩解措施的情況下，ATF可以將堆芯損壞頻率降低約10-15%，在采取額外緩解行動的情況下可以降低約15-20%。

EPRI的初步研究得出結論，ATF有可能通過提高運行安全裕度，同時提高燃料可靠性、優化燃料循環和減少乏燃料，從而比標準Zr/UO2燃料提供多功能性能優勢。

后續在初始ATF分析的基礎上進行了擴大研究工作，包括將嚴重事故緩解策略納入考慮范圍，進行標準安全分析，評估燃料循環優化(包括濃縮和排放燃耗增加)，以及確定以前未獲得的特定電廠效益。

EPRI隨后的分析得出以下結論：

■ ATF可以提供額外的應對時間，以便部署嚴重事故緩解設備。

■ 對于因偏離核沸騰(DNB)而受到限制的PWR流量損失事件，具有摻雜UO2和標準Zr/UO2燃料系統的涂層Zr合金覆層的分析結果實際上是相同的。然而，這些結果也表明，如果目前的DNB驗收標準被基于覆層強度的失效機制所取代，那么可以實現改變電廠運行策略和增加堆芯設計靈活性的機會，以支持經濟效益。

■ PWR冷卻劑損失事故(LOCA)評估顯示，隨著涂層覆層和摻雜UO2芯塊的實施，安全裕度有所提高。額外的安全裕度是通過使用具有更高導熱性的球團而開發的，這會導致更低的球團操作溫度。此外，由于具有減少的包殼蒸汽氧化動力學的ATF包殼概念，可以實現最大局部氧化。這些性能優勢可能支持緊急堆芯冷卻系統(ECCS)啟動的延遲，但還需要進一步的研究來證實這種可能性。

■ LOCA評估顯示，通過減少產生的氫氣量和氧化物厚度，從而提高LOCA條件下覆層的延展性和彈性，涂層Zr合金覆層概念能夠提高裕度。

■ 涂層Zr合金包殼概念可以支持適度的峰值因子增加，以支持PWR燃料循環優化。

■ 沸水反應堆ATF概念滿足允許沸騰過渡的安全分析許可要求。ATF提高了燃料承受短時間干燥的能力，在此期間會發生沸騰轉變。這將允許降低臨界功率比(CPR)操作極限，反過來可用于支持降低燃料循環成本。

■ BWR ATF概念可以滿足ECCS LOCA許可要求，ECCS注入流量大幅減少。

■ ATF安全裕度可以通過利用額外的CPR裕度、放寬緊急停堆要求、取消循環結束再循環泵跳閘功能和/或允許在當前許可運行限制范圍內以較低的堆芯流量運行來降低運行和維護成本。

6、燃料富集和燃耗

安裝在美國沃格特勒核電站2號機組的ATF(圖源：Southern Nuclear)

ATF燃料可能比目前的燃料設計更昂貴。

燃料成本目前約占商業LWR總發電成本的20%。很少有其他單獨的成本組成部分對核能艦隊的經濟性產生如此大的影響。

工廠的燃料成本取決于兩個因素：燃料組件的價格(鈾進料、轉化、濃縮和制造)和堆芯設計的效率。

燃料組件成本由供應和需求驅動，從長遠來看，不在單個公用事業的控制范圍內。

堆芯設計的效率決定了滿足核電站能源目標所需的核材料數量。雖然實用程序可以提高堆芯設計的效率，但這種效率最終受到堆芯設計特定約束的限制。

對當前燃料管理實踐的初步研究表明，燃料循環效率的99%的變化可歸因于鈾濃縮和排放燃耗的變化。

許多電站目前受到對其中一個或兩個參數的現有監管限制。

2018年，EPRI完成了對提高當前燃料濃縮和燃耗限值的潛在優勢和挑戰的分析。預計鈾235的燃料富集率高達6–7%(目前的限制是5%)。

修改這些限制會影響核燃料循環的很大一部分，以及核電站運營商和燃料供應商的許可證基礎和燃料循環的后端。

雖然做出這些改變有經濟優勢，但它們需要長期資本投資和監管改革。

7、機械設計和可靠性問題

DOE宣布，法馬通公司的ATF目前正在愛達荷州國家實驗室的高級試驗反應堆(ATR)中進行測試。

提高燃料燃耗極限還需要解決一些燃料機械設計和可靠性方面的問題。這些包括但不限于，棒的內部壓力、包層腐蝕和氫氣吸收、棒和組件以及包層應變。

雖然證明滿足所有這些設計標準的可接受燃料性能困難較大，但它并不是一項不可逾越的技術挑戰。

燃料供應商已經開發或正在開發先進的材料或設計功能來解決這些問題。此外，新ATF設計的一些特征可以在這些領域提供額外的安全性能裕度。

然而，在假設的設計基準事故中，與燃料碎片化、重新安置和擴散(FFRD)相關的問題仍然是一個重大的研究挑戰。

假設在設計基準事故(如LOCA)期間，如果高燃耗燃料棒膨脹并爆裂，則會發生FFRD。

如果芯塊中存在足夠的裂變氣體，可能會導致芯塊碎裂。顆粒碎片可能重新定位到氣球體積中，并可能通過爆裂區域分散到冷卻劑中。在模擬LWR條件下的一些試驗反應堆中觀察到了FFRD。

EPRI在DOE的支持下，與美國核管理委員會的核監管研究辦公室合作，正在進行單獨的效應測試，這可能會在2022年使用愛達荷州國家實驗室重新啟動的瞬態反應堆測試設施進行全面的綜合測試。

該綜合試驗將在原型LWR條件下進行，該條件結合了真實的燃料溫度分布、適當的線性功率密度和適用于高燃耗燃料的裂變氣體分布。

該測試有望促進對FFRD的理解，以支持現有燃耗極限的潛在擴展。先前對沸水堆設計的測試結果表明，對FFRD問題的敏感性較低，并且沒有計劃對BWR燃料進行測試，因為FFRD的開始預計會發生在目標燃耗水平之外。

另外，為避免包殼爆裂而設計的燃料燃耗極限也在研究之中。一些國際監管機構已經使用這種方法許可工廠達到更高的燃耗水平。

提高濃縮極限的最大技術挑戰與控制和分析有關，以保持燃料濃縮和制造設施以及儲存和運輸系統的臨界安全裕度。

8、運輸和存儲問題

TVEL的ATF(圖源：TVEL)

從濃縮設施到燃料制造商的濃縮UF6運輸，可能需要開發新的30B型運輸包。目前至少有一家運輸包裝供應商正在開發新的包裝。

設計具有更高濃縮度的燃料還將包括更高濃度的固定中子吸收劑，以控制反應堆內的反應性和功率峰值。

預計這將在很大程度上抵消燃料儲存和運輸方面的挑戰。

此外，具有更高濃縮度的燃料將運行到更高的燃耗，這也往往會抵消臨界問題。

必須使用與預期燃料設計變更一致的更新假設進行新的臨界性分析。通常被認為使用更高濃度的固定吸收劑策略。

然而，一些地點的設計或儲存靈活性有限，將選擇不用更高濃縮度的燃料設計。

雖然重新許可任何燃料系統以滿足現代臨界分析標準會帶來監管挑戰，但工業界認為，根據當前的技術和監管指南，這些挑戰是可以控制的。

一些通用分析方法可能會受到燃料燃耗極限增加的影響。

其中包括事故源項和衰變熱相關性。需要對該行業現有的實驗數據和相關的燃料建模進行全面審查，以確定在當前限制中是否存在足夠的裕度來支持更高的燃耗。

需要進行新的干式容器設計，以解決燃料臨界性、衰變熱以及禁區和低人口區的現場邊界劑量限制問題。

干式容器系統的設計和許可基礎的這些變化不會帶來重大的技術挑戰。對于相同的乏燃料池存儲容量，更高的燃耗設計將允許更長的冷卻時間。

冷卻時間的增加，將部分抵消由于更高的燃耗而導致的熱負荷的增加。

目前，新的容器設計符合更高的熱負荷極限，有望提供應對這些更高熱負荷的能力。

為了評估新的濃縮和燃耗極限的優勢，對PWR和BWR系統進行了燃料管理研究。

圖3：1000 MWe發電廠按組件劃分的年度燃料成本節約。

這些研究的結果如圖3所示。在所有情況下，濃縮費用略有增加，U3O8原料成本有所降低。

大部分節省來自制造，因為新的重新裝載批次需要更少的制造組件。

這使其對未來進料或濃縮價格相對不敏感，但預計燃料制造成本將增加，以應對這些變化對燃料供應商的影響。

免責聲明：本網轉載自合作媒體、機構或其他網站的信息，登載此文出于傳遞更多信息之目的，并不意味著贊同其觀點或證實其內容的真實性。本網所有信息僅供參考，不做交易和服務的根據。本網內容如有侵權或其它問題請及時告之，本網將及時修改或刪除。凡以任何方式登錄本網站或直接、間接使用本網站資料者，視為自愿接受本網站聲明的約束。