ATF研發(fā)的一些問(wèn)題與分析

趙瑞瑞　王虹

【摘 要】本文介紹了ATF燃料的基本要求與國(guó)際及國(guó)內(nèi)ATF燃料芯塊和包殼的研發(fā)現(xiàn)狀，分析了目前ATF研發(fā)存在的關(guān)于研究目標(biāo)、技術(shù)路線及應(yīng)用目標(biāo)的主要問(wèn)題，重點(diǎn)闡述了對(duì)ATF燃料研發(fā)的一些建議與思考。

【Abstract】 This paper introduces the basic requirements of ATF fuel and the research and development status of ATF pellet and cladding at home and abroad. The main problems existing in the research and development of ATF are analyzed， such as the research target， technical route and application target. Some suggestions on the development of ATF fuel are discussed.

【關(guān)鍵詞】核燃料；事故容錯(cuò)；包殼；芯塊

【Keywords】nuclear fuel； fault-tolerant； cladding； pellet

【中圖分類(lèi)號(hào)】U463 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）05-0170-02

1 ATF燃料的基本要求和研究方向

ATF燃料的研發(fā)，是以反應(yīng)堆正常和事故工況下燃料的行為和失效機(jī)理為根本出發(fā)點(diǎn)，以從根本上克服UO2-Zr燃料的缺點(diǎn)為目標(biāo)，同時(shí)不能削弱UO2-Zr燃料的現(xiàn)有優(yōu)勢(shì)。

1.1 ATF包殼材料的研發(fā)方向

①改進(jìn)型鋯合金，利用先進(jìn)材料及工藝對(duì)鋯合金包殼進(jìn)行涂覆以增強(qiáng)其性能，涂層包括SiC、MAX相及其他；

②陶瓷基復(fù)合材料，包括SiC復(fù)合包殼、MAX相材料等；

③金屬包殼，F(xiàn)eCrAl合金和Mo合金等難熔金屬。

1.2 ATF芯塊材料的研發(fā)方向

①新型UO2燃料，即對(duì)UO2燃料進(jìn)行改進(jìn)，使其符合ATF的特征；

②鈾合金，例如U-Mo合金、U-Zr合金等；

③高密度陶瓷芯體，包括U3Si2、UN等；

④全陶瓷微封裝（FCM）芯體。

1.3 ATF燃料的研發(fā)方向

綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，一般認(rèn)為基于現(xiàn)有UO2-Zr合金包殼系統(tǒng)發(fā)展的改進(jìn)型UO2芯塊和改進(jìn)型鋯合金包殼由于技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和成本較低，是有望在近期得到應(yīng)用的ATF技術(shù)。而陶瓷基包殼、FCM燃料、高鈾密度芯塊等具有較高技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和成本壓力，但屬于具有顯著性能優(yōu)勢(shì)的未來(lái)ATF技術(shù)。

2 ATF燃料的研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

2.1 ATF燃料研究現(xiàn)狀

2.1.1 ATF燃料總體研發(fā)現(xiàn)狀

從一些資料來(lái)看，世界范圍內(nèi)針對(duì)ATF燃料的材料開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)評(píng)價(jià)研究在短時(shí)間內(nèi)得到了迅速發(fā)展，目前針對(duì)ATF包殼和芯塊已經(jīng)形成了多種候選技術(shù)方案，相應(yīng)的可行性評(píng)估、材料工藝優(yōu)化、性能驗(yàn)證及輻照考驗(yàn)工作正在開(kāi)展，形成了涵蓋近期、中遠(yuǎn)期的發(fā)展與應(yīng)用路線圖。

美國(guó)的ATF計(jì)劃從2012年啟動(dòng)，目前AREVA、GE、W.E.C.組成的工業(yè)界團(tuán)隊(duì)包括SiC、FeCrAl、Cr合金、Mo合金在內(nèi)的ATF包殼材料，以及改進(jìn)型UO2芯塊、U3Si2芯塊等ATF芯塊的研發(fā)已接近完成，并已開(kāi)始初步的驗(yàn)證試驗(yàn)工作。美國(guó)計(jì)劃于2016至2017年度開(kāi)始針對(duì)多種ATF候選技術(shù)方案的系統(tǒng)性驗(yàn)證試驗(yàn)工作，最終目標(biāo)是在2022年左右實(shí)現(xiàn)LTR/LTA進(jìn)入商用堆。

國(guó)內(nèi)的ATF燃料研發(fā)計(jì)劃始于2013年，該計(jì)劃將實(shí)現(xiàn)ATF在壓水堆、模塊化小型堆和未來(lái)先進(jìn)反應(yīng)堆的應(yīng)用。該計(jì)劃計(jì)劃于2019年實(shí)現(xiàn)ATF燃料的中試生產(chǎn)，2024年實(shí)現(xiàn)壓水堆LTR/LTA入堆，2026年實(shí)現(xiàn)ATF燃料批量生產(chǎn)和模塊化小堆LTR/LTA入堆，2028至2035年完成用于未來(lái)先進(jìn)反應(yīng)堆的ATF燃料的最終設(shè)計(jì)。

2.1.2 ATF芯塊研發(fā)現(xiàn)狀

在ATF芯塊研發(fā)方面，從公開(kāi)資料看，目前中國(guó)工程物理研究院已開(kāi)展研究的包括改進(jìn)型UO2芯塊（大晶粒、高熱導(dǎo)）、FCM燃料及TRISO顆粒、高鈾密度（U-Mo、U-Zr）燃料在內(nèi)的多種ATF芯塊，開(kāi)發(fā)了多孔的U-Mo、U-Zr合金燃料，相比UO2芯塊顯著改善了熱導(dǎo)率、機(jī)械性能以及對(duì)裂變氣體的容納能力。中核北方開(kāi)展了UO2-BeO高熱導(dǎo)芯塊研制，研究結(jié)果表明，在BeO添加量在3%時(shí)，芯塊的熱導(dǎo)率提升就超過(guò)了1倍，芯塊其他性能與單純的UO2芯塊基本一致。韓國(guó)提出了Microcell芯塊（金屬微囊芯塊），并開(kāi)展了性能驗(yàn)證。清華大學(xué)在不斷改進(jìn)TRISO顆粒及其制備技術(shù)，其目的是在水堆燃料上加以應(yīng)用。

2.1.3 ATF包殼研發(fā)現(xiàn)狀

在ATF包殼研發(fā)方面，改進(jìn)型鋯合金包殼、新型金屬包殼和復(fù)合陶瓷包殼的研究都在進(jìn)行中。中廣核集團(tuán)針對(duì)SiC/SiC復(fù)合材料包殼和MAX相包殼已提出了多種技術(shù)方案，并已開(kāi)展相關(guān)制備工藝和性能檢測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)；美國(guó)ORNL指出并提出相應(yīng)的解決方案，相關(guān)中子輻照試驗(yàn)計(jì)劃于2016年年底開(kāi)展。但總體認(rèn)為，改進(jìn)型鋯合金包殼和新型金屬包殼由于具備技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性有望在近期得到應(yīng)用，陶瓷基材料性能優(yōu)越，依然是未來(lái)的理想包殼材料。

2.2 目前存在的問(wèn)題

①ATF燃料研發(fā)的概念清晰，方向明確，但研究目標(biāo)模糊，即“有方向、沒(méi)目標(biāo)”；

②ATF燃料研發(fā)的時(shí)間路線清晰，但技術(shù)路線模糊，對(duì)技術(shù)路線有所回避；

③ATF燃料的應(yīng)用目標(biāo)有所動(dòng)搖。

3 關(guān)于ATF燃料研究后續(xù)工作的一些想法

①ATF燃料的應(yīng)用目標(biāo)是商用水堆，這一根本目標(biāo)不能動(dòng)搖，這是研發(fā)工作開(kāi)展的前提和基礎(chǔ)。

②從ATF燃料的概念入手，制定研發(fā)目標(biāo)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

③圍繞ATF燃料的概念和應(yīng)用目標(biāo)，將材料預(yù)研和燃料的工程化（產(chǎn)業(yè)化）研究相結(jié)合，制定ATF燃料研發(fā)的技術(shù)和應(yīng)用路線圖，要準(zhǔn)確判斷各種技術(shù)路線的成熟程度，在技術(shù)和應(yīng)用路線圖的制定上要有清晰的思路。

ATF燃料的本質(zhì)是解決儲(chǔ)能問(wèn)題，其終極解決途徑（也就是ATF燃料研發(fā)的終極目標(biāo)）是在燃料材料學(xué)上的巨大突破。但能同時(shí)滿足所有要求的材料很難選擇，因此，這一突破不可能在短時(shí)間內(nèi)完成。因此，要想使ATF燃料以最快的速度在商業(yè)堆上得到應(yīng)用，ATF燃料的研究重點(diǎn)就不能局限在燃料材料的研發(fā)上，要在燃料的結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)和綜合性能提升上多想辦法。就這一問(wèn)題，有如下建議。

首先，材料、結(jié)構(gòu)、性能、與現(xiàn)有商用堆相容性和UO2-Zr燃料一致的燃料應(yīng)作為ATF燃料的首選，并作為ATF燃料研發(fā)的近期目標(biāo)，其目標(biāo)是盡快實(shí)現(xiàn)工程化。

環(huán)形燃料和FCM燃料是不錯(cuò)的思路。環(huán)形燃料由于采用了中空的結(jié)構(gòu)，有效降低了芯塊的中心溫度，很好地解決了芯塊中心的儲(chǔ)能問(wèn)題，緩解了鋯水反應(yīng)。FCM燃料在UO2燃料顆粒外包覆碳化硅，增加多層防御屏障，既提高芯塊導(dǎo)熱能力，又把燃料芯體限制在碳化硅包覆層中。事故工況下，確保鋯包殼不熔，裂變產(chǎn)物不釋放。FCM燃料不改變現(xiàn)有燃料的結(jié)構(gòu)，材料成熟，性能確定，與目前的商用堆完全兼容，現(xiàn)在只需做芯塊性能設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)，要解決的技術(shù)問(wèn)題是最少的。

其次，現(xiàn)有UO2-Zr燃料芯塊、包殼材料的改進(jìn)性研究可作為ATF燃料研發(fā)的中期目標(biāo)，材料研究與工程化應(yīng)用同步開(kāi)展。

對(duì)于芯體材料，改進(jìn)型研究的重點(diǎn)是提高其熱導(dǎo)率和裂變氣體的儲(chǔ)存能力。例如高熱導(dǎo)芯塊或大晶粒UO2芯塊，與之相匹配的包殼可以為現(xiàn)有的鋯合金或改進(jìn)型鋯合金。

對(duì)于包殼材料，主要是目前正在開(kāi)展的改進(jìn)型鋯合金或表面涂覆及其技術(shù)研究。

最后，新型芯體和包殼材料研究可作為ATF燃料研發(fā)的遠(yuǎn)期目標(biāo)，以材料預(yù)研為主。

在ATF燃料研發(fā)上，要有長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光，要有技術(shù)儲(chǔ)備，因此，必須瞄準(zhǔn)未來(lái)方向，在新材料開(kāi)發(fā)方面開(kāi)展技術(shù)預(yù)研，包括U3Si2、UN等陶瓷芯體、UMo合金等金屬芯體、SiC、MAX等復(fù)合陶瓷基包殼、FeCrAl等金屬包殼等新型材料的預(yù)研。材料篩選是一個(gè)非常龐大的工作，非短時(shí)間內(nèi)能夠完成，因此，即便是預(yù)研，也應(yīng)該有非常清晰的思路，有清晰的材料設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)體系。

④重視設(shè)計(jì)。充分從整體考慮，優(yōu)選出芯塊和包殼匹配綜合效果最好的方案，才能有效降低材料研究的難度；在燃料研發(fā)上，要評(píng)估新開(kāi)發(fā)的燃料系統(tǒng)相對(duì)于現(xiàn)有燃料系統(tǒng)的性能，評(píng)估其關(guān)鍵屬性。要充分設(shè)計(jì)ATF的具體參數(shù)，才能在包殼和芯塊材料的研制中有明確的目標(biāo)，定位準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)和制造工藝要緊密結(jié)合，相互迭代。以達(dá)到少走彎路，事半功倍，加快研發(fā)速度的目的。

⑤在材料研究的同時(shí)，加強(qiáng)輻照性能的研究?？刹捎秒x子輻照、中子輻照等技術(shù)，至少可以判斷趨勢(shì)，因?yàn)閷?duì)于反應(yīng)堆材料而言，最終都要落腳到輻照性能上，這樣可以避免走彎路，或走錯(cuò)方向。