新型核燃料研发趋势

2023-12-13 11:09  来源:嘿嘿能源heypower    钼铀(U-Mo)燃料  法马通  核燃料  高温气冷堆  俄罗斯核电  快堆  沃格特勒核电站  美国核电  法国核电

反应堆的核心是核燃料,随着新一代反应堆的问世,新种类的燃料也在出现,为清洁能源转型提供了动力。


反应堆的核心是核燃料,随着新一代反应堆的问世,新种类的燃料也在出现,为清洁能源转型提供了动力。

1、核能发展活跃

Lightbridge开发的新型核燃料正吸引着核工业界越来越多的兴趣。

全球核燃料市场正在稳步发展,因为最近的能源危机和对气候变化问题,使核电经历了某种复兴。

根据国际原子能机构的预测,到2050年,全球核电站机组的容量将增加一倍多——从现在的近380 GW增加到873 GW。

然而,该机构指出,这一增长将主要通过目前刚刚开发和测试的核技术来实现,包括那些涉及使用新型核燃料的技术。

目前,有20多个国家约30家公司生产用于陆上反应堆的核燃料。

全球核燃料生产能力总量并没有想象中的那么大——每年约2万吨。三大生产商——法国法马通公司、美国西屋电气公司和俄罗斯TVEL公司——提供了全球大约一半的总产量。

近年来,在这些生产商中,许多加快了他们在新型核燃料开发领域的活动。

与此同时,目前开发的技术反应堆概念的多样性,意味着核燃料类型的多样性。作为这些发展的一部分,人们对新型耐事故燃料(ATF)给予了特别关注。

2、事故耐受核燃料

在过去的十年里,ATF的开发已成为燃料设计人员的优先事项,特别是对福岛第一核电站事故原因的分析得到的经验教训,其中最关注的一点,是在1200℃以上温度环境发生的锆蒸汽反应。

目前,开发ATF技术有两个关键途径:减少燃料组件中的锆含量,或改变燃料的化学成分,以提高燃料的传热率。

虽然不能说使用新型燃料可以防止所有可能的事故,但ATF的开发旨在在罕见的紧急情况下提供更多的响应时间,并在核反应堆的正常运行期间获得技术和经济优势。

目前,欧洲、美洲和亚洲所有最大的核燃料制造商,以及其他重要参与者都在开发新型燃料。

3、两种思路:改变包层和成分

目前,开发人员的主要ATF工作目标,是为包壳和燃料成分创造新材料。

一个更有前景的可能解决方案是开发铬包层涂层。

锆合金上的铬涂层提高了核燃料整体的耐腐蚀性和耐磨性,并降低了氢渗透性,有助于保持锆合金的延展性。另一种思路是也是针对包层,使用碳化硅的复合材料。不过尚未确定普遍优选的涂层技术;不同的制造商在研究使用他们认为最合适的不同选项。

莫斯科国立大学理论物理系教授Fedor Vysikailo表示,复杂的应用方法技术含量高,但经济效率低。

对表面进行大量掺杂的方法也存在同样的问题。Vysikailo认为,更有希望的是激光应用方法。

科学家们还注意到磁控管方案对燃料棒涂层的吸引力(高应用速度和涂层均匀性)。

对于燃料成分,也在考虑各种选择,包括添加铬或钼,以及使用硅化物或氮化铀代替氧化铀。新的燃料成分还包括掺杂的二氧化铀(UO2)、高密度燃料(如U3Si2)和金属燃料,如铀-钼。

4、法马通技术


法马通已与法国电力公司签署合作协议,测试其PROtect增强型事故耐受燃料(EATF)技术。根据该协议,四个铅燃料组件装载到法国电力公司的一个法国反应堆中。

与西屋公司一样,法马通专注于开发复合包壳燃料。

从长远来看,该公司计划开发碳化硅/碳化硅复合包层和掺杂三氧化二铬的二氧化铀燃料。

目前,法马通公司正准备制造一种新型的钼铀(U-Mo)燃料,以延长德国FRM Ⅱ研究堆的寿命和安全运行。

最近,法马通获得了美国核管理委员会(NRC)的批准,可以将该公司的一套先进规范和方法应用于铀-235丰度高于5%的行业标准。

美国开发商在新型燃料领域的活跃,其原因也可以说来自美国核能大军的老化——大约一半的现有机组将在20世纪30年代中期之前达到其设计寿命,美国将成为世界上最大的核燃料进口国之一。

围绕新型核燃料的大部分活动都集中在高浓缩低分析铀(HALEU)上,其富集度可达20%铀-235。

例如,Centrus公司正在其位于美国俄亥俄州的离心机厂级联工厂开始首批HALEU生产。

Centrus公司通信副总裁Dan Leistikow表示,这将是70年来美国拥有的第一家新的技术浓缩厂。

Centrus的示范项目在年底前只会交付最初的20公斤HALEU,但该公司计划从2024年开始将年产量扩大到900公斤。

据分析人士称,这将为HALEU在美国开始大规模生产创造一定条件,但只是在适当的时候。

西屋公司开发的核燃料的铅测试组件被装载到沃格特勒核电站的2号机组,这标志着首次计划在美国商业反应堆中安装浓缩铀-235超过5%的核燃料。

与此同时,另一家美国发电公司南方核电(Southern Nuclear)宣布,它也获得了美国NRC的许可,可以在新调试的沃格特勒(Vogtle)核电站使用浓缩铀-235至6%的先进核燃料。

这是美国商业反应堆首次获准使用浓缩度超过5%的燃料。

总部位于美国的Lightbridge公司正在研发生产的新型核燃料,也有各种优势特点。据报道,这种燃料在美国和其他一些西方国家迅速流行起来。

5、俄罗斯技术

TVEL已在俄罗斯国家原子反应堆研究所完成了第一阶段的ATF测试。

俄罗斯燃料公司TVEL表示,俄罗斯的新型核燃料的生产,预计将在热列兹诺哥尔斯克的采矿和化学联合公司(MCC)启动。

俄罗斯研发的是一种混合氧化物铀钚MOX燃料,将用于世界上最强大的多用途快中子研究核反应堆MBIR,热功率为150 MWth。

该反应堆正在乌里扬诺夫斯克地区的俄罗斯原子能研究所(NIIAR)建造。反应堆的调试计划在本世纪20年代后期进行。

MCC的研发能力使其能够在现场组织生产各种类型的核燃料,而目前生产的MOX燃料使用的是在热反应堆乏核燃料后处理过程中分离的贫铀和钚。

俄罗斯原子能公司还计划更积极地在国外推广其先进的核燃料。公司最近向印度库丹库拉姆核电站提供这种新型核燃料,将反应堆的周期从18个月延长到2年。

总的来说,大多数分析人士认为,俄罗斯很有可能在全球先进燃料市场上占据很大份额,这在一定程度上是因为它们能够获得更便宜的原材料。

6、高温反应堆燃料


TRISO燃料正在开发用于高温反应堆。

对小型高温气体反应堆(HTGR),及其所需的新型核燃料的关注度在日益增长,已成为世界核能发展最明显的趋势之一。

在20世纪90年代至21世纪初,日本调试了一个容量为30 MW的高温技术反应堆(HTTR)。

HTTR的燃料是TRISO——填充在碳化硅和热解碳多层包层中的铀微球。包层的主要功能是将裂变产物保留在微球内,并提供机械强度。

燃料球被放置在管道中,管道被组装成燃料组件。日本正研究进一步改进燃料。一种选择是用碳化锆代替微球包层中的碳化硅。

在美国,包括X-energy、BWXT和USNC在内的公司正在开发HTGR的燃料生产。

可以说,各个国家都支持这一领域的研发,并投资于此类燃料的工业生产(例如通过AGR、ARDP计划)。


中国石岛湾核电站的HTR-PM项目

在中国,中核集团公司正在建设HTR-PM项目——一个容量为200 MW的高温气冷堆。

在该反应堆中,微球通过“球床”技术直接倒入反应堆堆芯。该反应堆使用TRISO燃料。燃料堆芯直径约0.5毫米,由多层包壳中浓缩至8.9%的铀组成。

很明显,新型核燃料正在出现,以应对新一代反应堆以及对安全和性能的新要求。其中许多燃料仍在开发中,但毫无疑问,新型核燃料将成为未来核能商业发展的方向。

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