燃料改进将成核电安全提升新路径

记者日前在中国能源研究会核能专业委员会举办的“生态核电”论坛上了解到，随着核电产业发展，国际核能界正将核能燃料的更新换代和创新研发作为提升核电本质安全的路径，包括中国在内的核电国家正在该领域积极开展尝试和探索。

高成本制约核能发展

厦门大学能源学院院长李宁在“生态核电”论坛上介绍，核电从最初的高速发展，到上世纪九十年代陷入停滞，发展疲软状况持续了二十多年。“目前全球无碳电力的发展中，核电占比较高。但最近十年中，核电发展却全面落后于水电、风电和光伏发电。”

据了解，全球目前在运400多台反应堆，容量仅接近400GW。全球核能发电装机比例约为10.3%，但在一次能源的利用中，核能的利用率不到5%。

成本上升以及公众对核电安全的担忧，无疑是当下核电发展面临的挑战。在大多数机构的预测中，未来核能都只有小规模增长。一位参会的业内专家表示，随着安全标准不断提升，核电的经济性和部署灵活性正在降低。

记者了解到，长期以来，核电安全防护采用的都是纵深防御的概念。“以往采用的方案是，加强纵深防御，进一步防护。一层不够两层，两层不够三层。除了反应堆本身，外面的大部分系统都是反应堆的安全应急系统。”李宁指出，“目前核电的安全应急系统占到了整个核电站反应堆构造的30%-40%。”

对于系统冗余和成本增加的问题，一位业内人士向记者表示，纵深防御概念本身目的是为了让核电站更加安全，但防御的思路或许会逐渐发生变化。“比如将一层层的外部防御转移到反应堆内部的燃料安全防御，让燃料变得更安全，相应的外部防御减少，使核电站的成本得以下降。”

聚焦燃料优化

“长期以来，大家都认为核电站的核燃料采购管理和燃煤电厂是一样的配置。这种思维下，没人想要去改变氧化铀燃料和锆合金包壳，优化和改革也仅仅局限于工程设备。除了燃料本身，什么都能改。”李宁认为，保障核能安全要调整思路和角度。

李宁介绍，核电最大的风险挑战是放射性泄漏和污染发生。“灾害=放射性总量×放射性泄漏几率，所以不论放射性总量有多少，降低泄漏几率就能避免或降低灾害发生。而放射性总量由能量决定，几率由燃料和堆型决定，这种情况下，应该对各种基于安全的设计路径以及反应堆堆型进行系统性分析。放射性物质在燃料中，要防范放射性，就要聚焦燃料本身。”

“我们要意识到，核燃料是能量和放射性的集中所在，现有燃料芯块对裂变产物的结合与围堵较弱，燃料包壳同时承担结构和包容功能。所以要重新聚焦于核燃料与包壳。”李宁表示。

资料显示，目前核电的成本中，建造成本占60%-80%，运维成本占15%-20%，燃料成本占5%-15%。

上述业内专家进一步表示，燃料成本的占比较低，其改造升级或者造价的增加，应该不会对整个核电站的建造产生颠覆性的影响。但是，核燃料上的改进却可以带来整体安全性和经济性的提升。“对核电竞争力而言，非常重要。”

本质安全新实践

据记者此前了解，福岛核事故发生后，基于更安全、更可靠以及更具经济性的考虑，美国、法国等核电强国纷纷加强了先进燃料型号及材料的研发。

法国Orano(原阿海珐)新型核燃料阵营中主要包括ATRIUMTM11先进沸水堆燃料，以及GAIA和HTPTM压水堆燃料。该公司曾透露，从2020年将开始向4个不同的核电设施供应ATRIUMTM11以及GAIA和HTPTM。

此外，美国西屋等公司专注于具有事故容错燃料(ATF)特征的新型核燃料研发。据了解，ATF可以提高燃料元件抵御严重事故的能力，与现有核燃料相比，能够在较长时间内抵抗严重事故工况。有预计认为，采用事故容错燃料技术研制的新型核燃料有望于2022年前后在商业反应堆中测试并推广。

公开信息显示，我国ATF国家重大专项已在概率设计、评价准则与选型方法、燃料元件三维分析软件开发及行为研究、安全分析评价、概率安全分析、离子辐照方法与分析等燃料总体设计、系统评价方面取得一定研究成果，正在进一步探索燃料升级，提升核能利用的安全性。

中广核研究院副总经理郝志坚曾在国家科技重大专项事故容错燃料研发项目专家委员会第二次全体会议上表示，中广核顺利完成了ATF燃料概念设计，并突破了先进包壳与芯块材料的成分设计与制备工艺，初步评价了事故工况下ATF的安全收益。

此外，中核集团董事长、党组书记余剑锋日前公开表示，该集团从2010年开始研发具有自主知识产权的CF系列燃料组件。目前，在MOX燃料元件、环形燃料元件、耐事故燃料元件等新型燃料元件技术研发领域也取得重大进展。