反應(yīng)堆的核心是核燃料，隨著新一代反應(yīng)堆的問世，新種類的燃料也在出現(xiàn)，為清潔能源轉(zhuǎn)型提供了動力。

1、核能發(fā)展活躍

Lightbridge開發(fā)的新型核燃料正吸引著核工業(yè)界越來越多的興趣。

全球核燃料市場正在穩(wěn)步發(fā)展，因為最近的能源危機(jī)和對氣候變化問題，使核電經(jīng)歷了某種復(fù)興。

根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)的預(yù)測，到2050年，全球核電站機(jī)組的容量將增加一倍多——從現(xiàn)在的近380 GW增加到873 GW。

然而，該機(jī)構(gòu)指出，這一增長將主要通過目前剛剛開發(fā)和測試的核技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，包括那些涉及使用新型核燃料的技術(shù)。

目前，有20多個國家約30家公司生產(chǎn)用于陸上反應(yīng)堆的核燃料。

全球核燃料生產(chǎn)能力總量并沒有想象中的那么大——每年約2萬噸。三大生產(chǎn)商——法國法馬通公司、美國西屋電氣公司和俄羅斯TVEL公司——提供了全球大約一半的總產(chǎn)量。

近年來，在這些生產(chǎn)商中，許多加快了他們在新型核燃料開發(fā)領(lǐng)域的活動。

與此同時，目前開發(fā)的技術(shù)反應(yīng)堆概念的多樣性，意味著核燃料類型的多樣性。作為這些發(fā)展的一部分，人們對新型耐事故燃料(ATF)給予了特別關(guān)注。

2、事故耐受核燃料

在過去的十年里，ATF的開發(fā)已成為燃料設(shè)計人員的優(yōu)先事項，特別是對福島第一核電站事故原因的分析得到的經(jīng)驗教訓(xùn)，其中最關(guān)注的一點(diǎn)，是在1200℃以上溫度環(huán)境發(fā)生的鋯蒸汽反應(yīng)。

目前，開發(fā)ATF技術(shù)有兩個關(guān)鍵途徑：減少燃料組件中的鋯含量，或改變?nèi)剂系幕瘜W(xué)成分，以提高燃料的傳熱率。

雖然不能說使用新型燃料可以防止所有可能的事故，但ATF的開發(fā)旨在在罕見的緊急情況下提供更多的響應(yīng)時間，并在核反應(yīng)堆的正常運(yùn)行期間獲得技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

目前，歐洲、美洲和亞洲所有最大的核燃料制造商，以及其他重要參與者都在開發(fā)新型燃料。

3、兩種思路：改變包層和成分

目前，開發(fā)人員的主要ATF工作目標(biāo)，是為包殼和燃料成分創(chuàng)造新材料。

一個更有前景的可能解決方案是開發(fā)鉻包層涂層。

鋯合金上的鉻涂層提高了核燃料整體的耐腐蝕性和耐磨性，并降低了氫滲透性，有助于保持鋯合金的延展性。另一種思路是也是針對包層，使用碳化硅的復(fù)合材料。不過尚未確定普遍優(yōu)選的涂層技術(shù);不同的制造商在研究使用他們認(rèn)為最合適的不同選項。

莫斯科國立大學(xué)理論物理系教授Fedor Vysikailo表示，復(fù)雜的應(yīng)用方法技術(shù)含量高，但經(jīng)濟(jì)效率低。

對表面進(jìn)行大量摻雜的方法也存在同樣的問題。Vysikailo認(rèn)為，更有希望的是激光應(yīng)用方法。

科學(xué)家們還注意到磁控管方案對燃料棒涂層的吸引力(高應(yīng)用速度和涂層均勻性)。

對于燃料成分，也在考慮各種選擇，包括添加鉻或鉬，以及使用硅化物或氮化鈾代替氧化鈾。新的燃料成分還包括摻雜的二氧化鈾(UO2)、高密度燃料(如U3Si2)和金屬燃料，如鈾-鉬。

4、法馬通技術(shù)

法馬通已與法國電力公司簽署合作協(xié)議，測試其PROtect增強(qiáng)型事故耐受燃料(EATF)技術(shù)。根據(jù)該協(xié)議，四個鉛燃料組件裝載到法國電力公司的一個法國反應(yīng)堆中。

與西屋公司一樣，法馬通專注于開發(fā)復(fù)合包殼燃料。

從長遠(yuǎn)來看，該公司計劃開發(fā)碳化硅/碳化硅復(fù)合包層和摻雜三氧化二鉻的二氧化鈾燃料。

目前，法馬通公司正準(zhǔn)備制造一種新型的鉬鈾(U-Mo)燃料，以延長德國FRM Ⅱ研究堆的壽命和安全運(yùn)行。

最近，法馬通獲得了美國核管理委員會(NRC)的批準(zhǔn)，可以將該公司的一套先進(jìn)規(guī)范和方法應(yīng)用于鈾-235豐度高于5%的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

美國開發(fā)商在新型燃料領(lǐng)域的活躍，其原因也可以說來自美國核能大軍的老化——大約一半的現(xiàn)有機(jī)組將在20世紀(jì)30年代中期之前達(dá)到其設(shè)計壽命，美國將成為世界上最大的核燃料進(jìn)口國之一。

圍繞新型核燃料的大部分活動都集中在高濃縮低分析鈾(HALEU)上，其富集度可達(dá)20%鈾-235。

例如，Centrus公司正在其位于美國俄亥俄州的離心機(jī)廠級聯(lián)工廠開始首批HALEU生產(chǎn)。

Centrus公司通信副總裁Dan Leistikow表示，這將是70年來美國擁有的第一家新的技術(shù)濃縮廠。

Centrus的示范項目在年底前只會交付最初的20公斤HALEU，但該公司計劃從2024年開始將年產(chǎn)量擴(kuò)大到900公斤。

據(jù)分析人士稱，這將為HALEU在美國開始大規(guī)模生產(chǎn)創(chuàng)造一定條件，但只是在適當(dāng)?shù)臅r候。

西屋公司開發(fā)的核燃料的鉛測試組件被裝載到沃格特勒核電站的2號機(jī)組，這標(biāo)志著首次計劃在美國商業(yè)反應(yīng)堆中安裝濃縮鈾-235超過5%的核燃料。

與此同時，另一家美國發(fā)電公司南方核電(Southern Nuclear)宣布，它也獲得了美國NRC的許可，可以在新調(diào)試的沃格特勒(Vogtle)核電站使用濃縮鈾-235至6%的先進(jìn)核燃料。

這是美國商業(yè)反應(yīng)堆首次獲準(zhǔn)使用濃縮度超過5%的燃料。

總部位于美國的Lightbridge公司正在研發(fā)生產(chǎn)的新型核燃料，也有各種優(yōu)勢特點(diǎn)。據(jù)報道，這種燃料在美國和其他一些西方國家迅速流行起來。

5、俄羅斯技術(shù)

TVEL已在俄羅斯國家原子反應(yīng)堆研究所完成了第一階段的ATF測試。

俄羅斯燃料公司TVEL表示，俄羅斯的新型核燃料的生產(chǎn)，預(yù)計將在熱列茲諾哥爾斯克的采礦和化學(xué)聯(lián)合公司(MCC)啟動。

俄羅斯研發(fā)的是一種混合氧化物鈾钚MOX燃料，將用于世界上最強(qiáng)大的多用途快中子研究核反應(yīng)堆MBIR，熱功率為150 MWth。

該反應(yīng)堆正在烏里揚(yáng)諾夫斯克地區(qū)的俄羅斯原子能研究所(NIIAR)建造。反應(yīng)堆的調(diào)試計劃在本世紀(jì)20年代后期進(jìn)行。

MCC的研發(fā)能力使其能夠在現(xiàn)場組織生產(chǎn)各種類型的核燃料，而目前生產(chǎn)的MOX燃料使用的是在熱反應(yīng)堆乏核燃料后處理過程中分離的貧鈾和钚。

俄羅斯原子能公司還計劃更積極地在國外推廣其先進(jìn)的核燃料。公司最近向印度庫丹庫拉姆核電站提供這種新型核燃料，將反應(yīng)堆的周期從18個月延長到2年。

總的來說，大多數(shù)分析人士認(rèn)為，俄羅斯很有可能在全球先進(jìn)燃料市場上占據(jù)很大份額，這在一定程度上是因為它們能夠獲得更便宜的原材料。

6、高溫反應(yīng)堆燃料

TRISO燃料正在開發(fā)用于高溫反應(yīng)堆。

對小型高溫氣體反應(yīng)堆(HTGR)，及其所需的新型核燃料的關(guān)注度在日益增長，已成為世界核能發(fā)展最明顯的趨勢之一。

在20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初，日本調(diào)試了一個容量為30 MW的高溫技術(shù)反應(yīng)堆(HTTR)。

HTTR的燃料是TRISO——填充在碳化硅和熱解碳多層包層中的鈾微球。包層的主要功能是將裂變產(chǎn)物保留在微球內(nèi)，并提供機(jī)械強(qiáng)度。

燃料球被放置在管道中，管道被組裝成燃料組件。日本正研究進(jìn)一步改進(jìn)燃料。一種選擇是用碳化鋯代替微球包層中的碳化硅。

在美國，包括X-energy、BWXT和USNC在內(nèi)的公司正在開發(fā)HTGR的燃料生產(chǎn)。

可以說，各個國家都支持這一領(lǐng)域的研發(fā)，并投資于此類燃料的工業(yè)生產(chǎn)(例如通過AGR、ARDP計劃)。

中國石島灣核電站的HTR-PM項目

在中國，中核集團(tuán)公司正在建設(shè)HTR-PM項目——一個容量為200 MW的高溫氣冷堆。

在該反應(yīng)堆中，微球通過“球床”技術(shù)直接倒入反應(yīng)堆堆芯。該反應(yīng)堆使用TRISO燃料。燃料堆芯直徑約0.5毫米，由多層包殼中濃縮至8.9%的鈾組成。

很明顯，新型核燃料正在出現(xiàn)，以應(yīng)對新一代反應(yīng)堆以及對安全和性能的新要求。其中許多燃料仍在開發(fā)中，但毫無疑問，新型核燃料將成為未來核能商業(yè)發(fā)展的方向。