事故耐受性燃料技术得到十年发展,取得了哪些进展?

2022-06-10 10:15      Framatome  西屋公司  全球核燃料公司(GNF)  核燃料

事故耐受性燃料技术旨在为核电站发生事故时提供额外的安全和反应时间。十年过去了,取得了哪些进展?


事故耐受性燃料技术旨在为核电站发生事故时提供额外的安全和反应时间。十年过去了,取得了哪些进展?NEI报告

为了应对2011年的福岛事件,全球核工业启动并加快了研究计划,旨在开发具有更好安全特性的新一代燃料系统。这些技术被整合到轻水反应堆燃料设计的传统燃料颗粒和包壳中,以提供额外的保护层。

2012年,美国国会指示能源部(DOE)通过其所谓的事故容忍燃料(ATF)计划,优先开发增强型燃料和包壳。

十多年来,已经取得了重大进展,特别是在近期的解决方案方面。核燃料供应商Framatome、全球核燃料公司和西屋公司正在与能源部合作,开发新的包层和燃料设计,以提高性能并加强对严重事故的安全反应。

Framatome公司在十年前启动了PROtect增强事故容限燃料(EATF)计划,它告诉NEI,近期解决方案目前正在五个商业反应堆中运行。这些铅测试组件包含二氧化铀或铬化铀增强型燃料颗粒。压水反应堆(PWR)的燃料包层有铬涂层的锆合金包层,沸水反应堆在Zircaloy-2包层上使用另一种适应特定沸水反应条件的创新涂层。

Framatome首次实施其ATF技术是在2016年在瑞士的Goesgen(1010MW压水堆),引入了涂层包层和碳化硅测试样品。后来,在2019年,在Goesgen引进了20根全长的涂层棒,现在它们已经经历了两个完整的辐照周期。同样在2019年,Framatome在美国南方核电的Vogtle 2(1229MW压水堆)引入了四个铅测试组件,其中包括四个全长的铬涂层棒,里面装满了铬增强的颗粒。这些是在世界上第一个全长完整的插入的ATF棒。在2020年,Vogtle 2完成了采用这种设计的第一个运行周期。Framatome说,结果与预期一致,并指出包层表现良好。第二个运行周期最近已经完成,目前正在进行数据收集和分析。

Framatome公司还在Entergy公司的Arkansas Nuclear One压水堆中插入了铬涂层棒,最近又在明尼苏达州Xcel公司的Monicello工厂的BWR中引入了ATF棒。Framatome还向马里兰州的Calvert Cliffs压水堆交付了第一个完整的ATF组件。该组件包含176根铬涂层棒和铬强化颗粒。

Framatome公司说,到目前为止,它已经将超过5000万个铬强化颗粒和200个铬涂层的全尺寸(或长度)棒投入运行。它指出,铬增强颗粒已经在美国的五个不同的反应堆中运行,现在是其双核反应堆ATRIUM 11燃料设计的一个标准特征。

全球核燃料公司(GNF)是由GE领导的与日立的合资企业,一直在开发ARMOR和IronClad这两项新技术。据GE称,ARMOR是一种应用于现有锆燃料包层的专有涂层,提供抗高温氧化,减轻碎片飞溅,防止腐蚀和提高热极限余量。IronClad是一种新的铁、铬和铝包层,可替代锆基合金。

2020年,使用GNF的ARMOR和IronClad ATF解决方案的铅测试组件被安装在位于伊利诺伊州的Exelon的克林顿核电站(1098MW BWR)。早些时候,LTA被装入由南方核电运营的乔治亚州的Hatch 1。在Hatch 1安装了两种IronClad材料的变体--一种是燃料棒形式,但没有燃料,另一种是固体棒段形式。含有燃料棒的ARMOR LTA也被安装在Hatch 1。

西屋公司近期的EnCore燃料具有铬涂层的锆包层和ADOPTTM燃料颗粒,在安全和经济方面有适度的优势。ADOPT颗粒是一种成熟的设计,已经在欧洲的沸水反应堆中使用了十多年。

它通过包括少量的氧化铝和铬来改进二氧化铀燃料。西屋公司表示,这些添加剂促进了二氧化铀的晶粒生长和烧结性,使晶粒尺寸增加了两倍,密度增加了2%。更大的晶粒尺寸延迟了裂变产品的运输,并能更好地保留裂变气体。更高的密度允许在燃料组件中放置更多的铀,以获得更高的线性功率(更高的燃烧度),从而改善燃料的经济性。在发生冷却剂损失事故等情况下,这种颗粒也有望在燃料破碎、搬迁和处置方面提供额外的安全优势。2019年和2020年,EnCore测试组件在伊利诺伊州的拜伦2号和比利时的杜尔4号装载。

去年夏天,几个含有EnCore燃料技术的铅测试棒抵达橡树岭国家实验室(ORNL),对燃料进行辐照实验,以支持与NRC的许可工作。作为许可证审查过程的一部分,监管机构也在审查西屋公司关于其ADOPT燃料颗粒的专题报告,该报告早在2021年就已被接受。

2021年9月,Rosatom宣布它已经在罗斯托夫2号开始试运行,使用新一代的俄罗斯ATF。三个TVS-2M燃料组件被装入VVER-1000反应堆堆芯。每个装有312根燃料棒的组件包含6根使用铬作为结构材料的合金42(一种含42%镍的铁合金)的燃料棒,以及6根带有铬涂层的锆合金包层的燃料棒。

12月,在巴拉科沃1号的计划停运期间,六个带有铀钚REMIX燃料棒的燃料组件被装入VVER-1000核心。每个标准TVS-2M型号的REMIX燃料组件只包含从乏核燃料中回收的铀和钚的混合物的燃料棒(每捆有312根燃料棒)。REMIX是由从乏核燃料中提取的后处理铀和钚的混合物制成。据Rosatom称,它的钚含量很低,其中子光谱与普通低浓铀燃料没有差别,这意味着它可以在不改变反应堆设计或额外安全措施的情况下引入。

美国公用事业公司南方核电已经同意在2023年之前在Vogtle 2号核电站安装四套西屋公司的高浓缩燃料长协系统。它们将包括西屋公司的ADOPT颗粒和先进的铬包锆合金包层设计。它还将利用四个铅测试棒,其铀-235的浓度高达6wt%--比目前许可的浓度高1%。更高的浓缩度将允许更高的燃料燃烧量和更长的加油操作周期。

"南方核电和西屋公司一直是我们事故容忍燃料计划的巨大合作伙伴,"能源部核能办公室的核工程师Frank Goldner说。"测试这种高浓缩燃料是部署新燃料技术的一个重要步骤,可以帮助改善我们现有反应堆群的经济性。"

GNF说,它一直在努力扩大其在北卡罗来纳州威尔明顿的燃料制造业务的许可证,以处理更高的浓缩燃料。"与我们的公用事业合作伙伴一起,我们正在努力争取在未来的某一天装载更高浓度的燃料组件,最高可达8wt%的铀235。"

Framatome公司在华盛顿州里奇兰经营着一个燃料制造厂,它也宣布了其计划。

作为其先进燃料管理计划的一部分,到2026年向该行业提供更高浓度、更高燃耗的燃料。Framatome公司目前正在与浓缩商、工厂运营商和NRC合作,将这些技术推向市场,并表示它已接近交付6wt%以上的燃料。

Framatome最近获得了NRC的批准,可以运输铀235浓度高达8wt%的燃料组件,去年NRC接受了对一份专题报告的审查,将其先进代码和方法应用于5wt%以上的操作条件。

美国最大的核运营商Constellation Energy公司工程和技术服务高级副总裁Scot Greenlee在3月份的NRC监管信息会议上说,它计划从2024年开始实施ATF。

更长期的概念

在进行这些近期努力的同时,供应商继续开发和测试长期解决方案,如碳化硅燃料通道和包层、氮化铀颗粒和金属燃料。据NRC称,Framatome和西屋公司正在开发几种SiC复合包层材料。俄罗斯也在开发更多的长期解决方案。俄罗斯核燃料制造商TVEL的子公司AA Bochvar无机材料研究所(VNIINM)今年宣布,它已经开发了技术,并为轻水反应堆制造了实验性的二硅化铀燃料颗粒。

出于政治和经济方面的原因,对开发事故耐受性燃料的追求--无论是长期还是短期--可能会继续增加其重要性。在美国之外,例如,拟议的欧盟补充气候授权法案,预计将从2023年开始适用。它指出,从2025年起,现有和新建项目必须使用ATF。工业界必须监测这种发展,投资和创新,以达到这些目标。



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