ATF的部署可以提高核電站安全裕度，優(yōu)化核燃料循環(huán)，減少高放廢物，同時實現(xiàn)更高的濃縮和燃耗極限。
1、ATF發(fā)展迅猛
(資料圖片)
EnCore的ATF鉛測試組件已安裝在比利時的杜爾核電站4號機(jī)組中，成為世界上第二座商業(yè)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(shè)計，主要是為了應(yīng)對反應(yīng)堆堆芯失去主動冷卻時出現(xiàn)的問題，ATF耐受性比傳統(tǒng)燃料設(shè)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(shè)的事故場景中，ATF設(shè)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(fā)生后，美國國會、美國能源部(DOE)和核工業(yè)界都認(rèn)識到，加快ATF技術(shù)的研發(fā)已成為當(dāng)務(wù)之急。
因此，DOE啟動了一項為期10年的計劃，目標(biāo)是到2022年將具有增強(qiáng)事故容限的測試棒插入商業(yè)反應(yīng)堆。
在核工業(yè)的大力支持下，在過去的18個月里，該項目已經(jīng)達(dá)到了重要的里程碑，比國會制定的ATF實施目標(biāo)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(yè)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(shè)計的全長ATF燃料棒裝載到沃格特勒(Vogtle)核電站2號機(jī)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(jī)組和克林頓(Clinton)核電站反應(yīng)堆。
此外，一些國家通過OECD核能機(jī)構(gòu)、國際原子能機(jī)構(gòu)和歐洲原子能共同體制定了ATF計劃和聯(lián)合國際ATF計劃。
2、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)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(shù)和ATRIUM 11燃料。法馬通表示，這將是PROtect計劃下首次向沸水反應(yīng)堆交付EATF原型棒。
為了確保這些新燃料設(shè)計，協(xié)調(diào)的廣泛適用性，并為開發(fā)商和其他利益相關(guān)者提供投入，美國核工業(yè)成立了ATF工作組。
該小組由核能研究所協(xié)調(diào)，包括來自NEI、DOE、燃料供應(yīng)商、電力研究所(EPRI)、核電公用事業(yè)公司和其他行業(yè)專家的代表。
此外，核管理委員會發(fā)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(yīng)商提交的文件進(jìn)行安全審查做準(zhǔn)備的活動。
為了促進(jìn)行業(yè)的廣泛采用，行業(yè)制定了以下ATF設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：
■ 可接受的中子吸收截面，以確保足夠的運行和經(jīng)濟(jì)性能。
■ 適用于當(dāng)前輕水反應(yīng)堆(LWR)機(jī)組的制造和配置的可修改性。
■ 充足的原材料供應(yīng)，以滿足全球LWR大軍的運營需求。
■ 在正常操作條件下與當(dāng)前LWR冷卻劑的兼容性。
■ 滿足現(xiàn)有設(shè)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(fā)的ATF概念，根據(jù)其全面核心部署的預(yù)期時間表，分為近期或長期。
近期概念可以使用當(dāng)前的許可結(jié)構(gòu)、法規(guī)和監(jiān)管指南進(jìn)行許可審批。預(yù)計到本世紀(jì)20年代中期，這些近期概念在商業(yè)上是可行的，可以進(jìn)行全核心部署。
長期概念仍在開發(fā)和測試中。這些設(shè)計概念可能需要制定和采用修訂后的監(jiān)管框架。因此，在商業(yè)反應(yīng)堆全面部署之前，預(yù)計它們需要更長的時間來開發(fā)和許可。
商業(yè)反應(yīng)堆運營商采用ATF最終將是一個商業(yè)決定。行業(yè)決策者的一個關(guān)鍵指標(biāo)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(nèi)，其安全性和經(jīng)濟(jì)效益就越早實現(xiàn)。
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(yīng)該注意的是，術(shù)語“安全效益”意味著安全性的提高——比標(biāo)準(zhǔn)鋯/二氧化鈾基(Zr/UO2)燃料的性能增加了裕度。
先進(jìn)核燃料的研究、開發(fā)、許可和部署代表著燃料供應(yīng)商、運營公用事業(yè)公司、研究機(jī)構(gòu)、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和其他政府機(jī)構(gòu)之間的大量投資和合作。
為了使任何新的燃料技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上可行，都需要巨大的安全和經(jīng)濟(jì)效益，來證明采用和廣泛實施新技術(shù)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(jīng)濟(jì)性、優(yōu)化燃料循環(huán)操作策略和減少廢物產(chǎn)生等。
在過去的一年里，美國核工業(yè)一直在積極追求ATF的概念，目標(biāo)是在本世紀(jì)20年代初至中期部署燃料。
因此，EPRI對ATF技術(shù)的潛在安全性和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)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(guān)鍵的政府、監(jiān)管和商業(yè)利益相關(guān)者合作，并對具有更高可靠性、安全性、效率和性能的先進(jìn)燃料進(jìn)行研究。
雖然EPRI沒有開發(fā)特定的ATF技術(shù)，但它正在向公共和私營利益相關(guān)者提供關(guān)鍵的安全、經(jīng)濟(jì)和運營技術(shù)分析，以支持ATF實施的戰(zhàn)略決策。
商業(yè)反應(yīng)堆業(yè)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(guān)的實施成本。
2017年，EPRI對ATF的潛在預(yù)期性能進(jìn)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(qiáng)功能。
針對一些假設(shè)事故，對每個ATF概念的性能進(jìn)行了評估。
對關(guān)鍵事故順序進(jìn)行了安全分析，并將ATF結(jié)果與使用當(dāng)前Zr/UO2燃料設(shè)計計算的結(jié)果進(jìn)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(jìn)行了研究，進(jìn)行了燃料循環(huán)優(yōu)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(yōu)勢。
這些確定了三個潛在提高經(jīng)濟(jì)效益的主要方向：(1)提高燃料可靠性，(2)更高效的燃料循環(huán)，可以減少產(chǎn)生的廢物量，以及(3)更穩(wěn)健的燃料性能，從而提高操作靈活性。
這些潛在的經(jīng)濟(jì)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(yè)利益相關(guān)者合作進(jìn)行的，結(jié)果由同一個不同的小組仔細(xì)審查。
這些分析為ATF利益相關(guān)者提供了對ATF部署所帶來的潛在安全和經(jīng)濟(jì)效益的全面和獨立評估。
5、ATF發(fā)展優(yōu)勢
圖1：堆芯融化質(zhì)量的TMI-2基準(zhǔn)結(jié)果，單位：磅(lb)
圖2：堆芯局部最熱溫度的TMI-2基準(zhǔn)結(jié)果，單位：°F
EPRI的初步發(fā)現(xiàn)包括以下內(nèi)容：
■ 對于反應(yīng)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(jìn)一步推遲了幾個小時。在沒有緩解措施的情況下，系統(tǒng)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(dǎo)致堆芯額外冷卻，從而進(jìn)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(jù)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(jī)組事故的評估，ATF可能已經(jīng)能夠預(yù)防或至少減少該事件的堆芯損壞(見圖1和圖2)。
■ 根據(jù)初步概率風(fēng)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(jié)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(yōu)化燃料循環(huán)和減少乏燃料，從而比標(biāo)準(zhǔn)Zr/UO2燃料提供多功能性能優(yōu)勢。
后續(xù)在初始ATF分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)大研究工作，包括將嚴(yán)重事故緩解策略納入考慮范圍，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)安全分析，評估燃料循環(huán)優(yōu)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(jié)論：
■ ATF可以提供額外的應(yīng)對時間，以便部署嚴(yán)重事故緩解設(shè)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(biāo)準(zhǔn)Zr/UO2燃料系統(tǒng)的涂層Zr合金覆層的分析結(jié)果實際上是相同的。然而，這些結(jié)果也表明，如果目前的DNB驗收標(biāo)準(zhǔn)被基于覆層強(qiáng)度的失效機(jī)制所取代，那么可以實現(xiàn)改變電廠運行策略和增加堆芯設(shè)計靈活性的機(jī)會，以支持經(jīng)濟(jì)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(dǎo)熱性的球團(tuán)而開發(fā)的，這會導(dǎo)致更低的球團(tuán)操作溫度。此外，由于具有減少的包殼蒸汽氧化動力學(xué)的ATF包殼概念，可以實現(xiàn)最大局部氧化。這些性能優(yōu)勢可能支持緊急堆芯冷卻系統(tǒng)(ECCS)啟動的延遲，但還需要進(jìn)一步的研究來證實這種可能性。
■ LOCA評估顯示，通過減少產(chǎn)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(huán)優(yōu)化。
■ 沸水反應(yīng)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(fā)生沸騰轉(zhuǎn)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(huán)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(huán)結(jié)束再循環(huán)泵跳閘功能和/或允許在當(dāng)前許可運行限制范圍內(nèi)以較低的堆芯流量運行來降低運行和維護(hù)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(jī)組的ATF(圖源：Southern Nuclear)
ATF燃料可能比目前的燃料設(shè)計更昂貴。
燃料成本目前約占商業(yè)LWR總發(fā)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(jīng)濟(jì)性產(chǎn)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(jìn)料、轉(zhuǎn)化、濃縮和制造)和堆芯設(shè)計的效率。
燃料組件成本由供應(yīng)和需求驅(qū)動，從長遠(yuǎn)來看，不在單個公用事業(yè)的控制范圍內(nèi)。
堆芯設(shè)計的效率決定了滿足核電站能源目標(biāo)所需的核材料數(shù)量。雖然實用程序可以提高堆芯設(shè)計的效率，但這種效率最終受到堆芯設(shè)計特定約束的限制。
對當(dāng)前燃料管理實踐的初步研究表明，燃料循環(huán)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(shù)的現(xiàn)有監(jiān)管限制。
2018年，EPRI完成了對提高當(dāng)前燃料濃縮和燃耗限值的潛在優(yōu)勢和挑戰(zhàn)的分析。預(yù)計鈾235的燃料富集率高達(dá)6–7%(目前的限制是5%)。
修改這些限制會影響核燃料循環(huán)的很大一部分，以及核電站運營商和燃料供應(yīng)商的許可證基礎(chǔ)和燃料循環(huán)的后端。
雖然做出這些改變有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，但它們需要長期資本投資和監(jiān)管改革。
7、機(jī)械設(shè)計和可靠性問題
DOE宣布，法馬通公司的ATF目前正在愛達(dá)荷州國家實驗室的高級試驗反應(yīng)堆(ATR)中進(jìn)行測試。
提高燃料燃耗極限還需要解決一些燃料機(jī)械設(shè)計和可靠性方面的問題。這些包括但不限于，棒的內(nèi)部壓力、包層腐蝕和氫氣吸收、棒和組件以及包層應(yīng)變。
雖然證明滿足所有這些設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)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(shù)挑戰(zhàn)。
燃料供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)或正在開發(fā)先進(jìn)的材料或設(shè)計功能來解決這些問題。此外，新ATF設(shè)計的一些特征可以在這些領(lǐng)域提供額外的安全性能裕度。
然而，在假設(shè)的設(shè)計基準(zhǔn)事故中，與燃料碎片化、重新安置和擴(kuò)散(FFRD)相關(guān)的問題仍然是一個重大的研究挑戰(zhàn)。
假設(shè)在設(shè)計基準(zhǔn)事故(如LOCA)期間，如果高燃耗燃料棒膨脹并爆裂，則會發(fā)生FFRD。
如果芯塊中存在足夠的裂變氣體，可能會導(dǎo)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(qū)域分散到冷卻劑中。在模擬LWR條件下的一些試驗反應(yīng)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(jiān)管研究辦公室合作，正在進(jìn)行單獨的效應(yīng)測試，這可能會在2022年使用愛達(dá)荷州國家實驗室重新啟動的瞬態(tài)反應(yīng)堆測試設(shè)施進(jìn)行全面的綜合測試。
該綜合試驗將在原型LWR條件下進(jìn)行，該條件結(jié)合了真實的燃料溫度分布、適當(dāng)?shù)木€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(jìn)對FFRD的理解，以支持現(xiàn)有燃耗極限的潛在擴(kuò)展。先前對沸水堆設(shè)計的測試結(jié)果表明，對FFRD問題的敏感性較低，并且沒有計劃對BWR燃料進(jìn)行測試，因為FFRD的開始預(yù)計會發(fā)生在目標(biāo)燃耗水平之外。
另外，為避免包殼爆裂而設(shè)計的燃料燃耗極限也在研究之中。一些國際監(jiān)管機(jī)構(gòu)已經(jīng)使用這種方法許可工廠達(dá)到更高的燃耗水平。
提高濃縮極限的最大技術(shù)挑戰(zhàn)與控制和分析有關(guān)，以保持燃料濃縮和制造設(shè)施以及儲存和運輸系統(tǒng)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(shè)施到燃料制造商的濃縮UF6運輸，可能需要開發(fā)新的30B型運輸包。目前至少有一家運輸包裝供應(yīng)商正在開發(fā)新的包裝。
設(shè)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(yīng)堆內(nèi)的反應(yīng)性和功率峰值。
預(yù)計這將在很大程度上抵消燃料儲存和運輸方面的挑戰(zhàn)。
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(yù)期燃料設(shè)計變更一致的更新假設(shè)進(jìn)行新的臨界性分析。通常被認(rèn)為使用更高濃度的固定吸收劑策略。
然而，一些地點的設(shè)計或儲存靈活性有限，將選擇不用更高濃縮度的燃料設(shè)計。
雖然重新許可任何燃料系統(tǒng)以滿足現(xiàn)代臨界分析標(biāo)準(zhǔn)會帶來監(jiān)管挑戰(zhàn)，但工業(yè)界認(rèn)為，根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)和監(jiān)管指南，這些挑戰(zhàn)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(guān)性。需要對該行業(yè)現(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù)和相關(guān)的燃料建模進(jìn)行全面審查，以確定在當(dāng)前限制中是否存在足夠的裕度來支持更高的燃耗。
需要進(jìn)行新的干式容器設(shè)計，以解決燃料臨界性、衰變熱以及禁區(qū)和低人口區(qū)的現(xiàn)場邊界劑量限制問題。
干式容器系統(tǒng)的設(shè)計和許可基礎(chǔ)的這些變化不會帶來重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。對于相同的乏燃料池存儲容量，更高的燃耗設(shè)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(dǎo)致的熱負(fù)荷的增加。
目前，新的容器設(shè)計符合更高的熱負(fù)荷極限，有望提供應(yīng)對這些更高熱負(fù)荷的能力。
為了評估新的濃縮和燃耗極限的優(yōu)勢，對PWR和BWR系統(tǒng)進(jìn)行了燃料管理研究。
圖3：1000 MWe發(fā)電廠按組件劃分的年度燃料成本節(jié)約。
這些研究的結(jié)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(jié)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(jìn)料或濃縮價格相對不敏感，但預(yù)計燃料制造成本將增加，以應(yīng)對這些變化對燃料供應(yīng)商的影響。
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