燃料改進將成核電安全提升新路徑

記者日前在中國能源研究會核能專業(yè)委員會舉辦的“生態(tài)核電”論壇上了解到，隨著核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國際核能界正將核能燃料的更新?lián)Q代和創(chuàng)新研發(fā)作為提升核電本質(zhì)安全的路徑，包括中國在內(nèi)的核電國家正在該領(lǐng)域積極開展嘗試和探索。

高成本制約核能發(fā)展

廈門大學(xué)能源學(xué)院院長李寧在“生態(tài)核電”論壇上介紹，核電從最初的高速發(fā)展，到上世紀九十年代陷入停滯，發(fā)展疲軟狀況持續(xù)了二十多年。“目前全球無碳電力的發(fā)展中，核電占比較高。但最近十年中，核電發(fā)展卻全面落后于水電、風(fēng)電和光伏發(fā)電。”

據(jù)了解，全球目前在運400多臺反應(yīng)堆，容量僅接近400GW。全球核能發(fā)電裝機比例約為10.3%，但在一次能源的利用中，核能的利用率不到5%。

成本上升以及公眾對核電安全的擔憂，無疑是當下核電發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)。在大多數(shù)機構(gòu)的預(yù)測中，未來核能都只有小規(guī)模增長。一位參會的業(yè)內(nèi)專家表示，隨著安全標準不斷提升，核電的經(jīng)濟性和部署靈活性正在降低。

記者了解到，長期以來，核電安全防護采用的都是縱深防御的概念。“以往采用的方案是，加強縱深防御，進一步防護。一層不夠兩層，兩層不夠三層。除了反應(yīng)堆本身，外面的大部分系統(tǒng)都是反應(yīng)堆的安全應(yīng)急系統(tǒng)。”李寧指出，“目前核電的安全應(yīng)急系統(tǒng)占到了整個核電站反應(yīng)堆構(gòu)造的30%-40%。”

對于系統(tǒng)冗余和成本增加的問題，一位業(yè)內(nèi)人士向記者表示，縱深防御概念本身目的是為了讓核電站更加安全，但防御的思路或許會逐漸發(fā)生變化。“比如將一層層的外部防御轉(zhuǎn)移到反應(yīng)堆內(nèi)部的燃料安全防御，讓燃料變得更安全，相應(yīng)的外部防御減少，使核電站的成本得以下降。”

聚焦燃料優(yōu)化

“長期以來，大家都認為核電站的核燃料采購管理和燃煤電廠是一樣的配置。這種思維下，沒人想要去改變氧化鈾燃料和鋯合金包殼，優(yōu)化和改革也僅僅局限于工程設(shè)備。除了燃料本身，什么都能改。”李寧認為，保障核能安全要調(diào)整思路和角度。

李寧介紹，核電最大的風(fēng)險挑戰(zhàn)是放射性泄漏和污染發(fā)生。“災(zāi)害=放射性總量×放射性泄漏幾率，所以不論放射性總量有多少，降低泄漏幾率就能避免或降低災(zāi)害發(fā)生。而放射性總量由能量決定，幾率由燃料和堆型決定，這種情況下，應(yīng)該對各種基于安全的設(shè)計路徑以及反應(yīng)堆堆型進行系統(tǒng)性分析。放射性物質(zhì)在燃料中，要防范放射性，就要聚焦燃料本身。”

“我們要意識到，核燃料是能量和放射性的集中所在，現(xiàn)有燃料芯塊對裂變產(chǎn)物的結(jié)合與圍堵較弱，燃料包殼同時承擔結(jié)構(gòu)和包容功能。所以要重新聚焦于核燃料與包殼。”李寧表示。

資料顯示，目前核電的成本中，建造成本占60%-80%，運維成本占15%-20%，燃料成本占5%-15%。

上述業(yè)內(nèi)專家進一步表示，燃料成本的占比較低，其改造升級或者造價的增加，應(yīng)該不會對整個核電站的建造產(chǎn)生顛覆性的影響。但是，核燃料上的改進卻可以帶來整體安全性和經(jīng)濟性的提升。“對核電競爭力而言，非常重要。”

本質(zhì)安全新實踐

據(jù)記者此前了解，福島核事故發(fā)生后，基于更安全、更可靠以及更具經(jīng)濟性的考慮，美國、法國等核電強國紛紛加強了先進燃料型號及材料的研發(fā)。

法國Orano(原阿?，m)新型核燃料陣營中主要包括ATRIUMTM11先進沸水堆燃料，以及GAIA和HTPTM壓水堆燃料。該公司曾透露，從2020年將開始向4個不同的核電設(shè)施供應(yīng)ATRIUMTM11以及GAIA和HTPTM。

此外，美國西屋等公司專注于具有事故容錯燃料(ATF)特征的新型核燃料研發(fā)。據(jù)了解，ATF可以提高燃料元件抵御嚴重事故的能力，與現(xiàn)有核燃料相比，能夠在較長時間內(nèi)抵抗嚴重事故工況。有預(yù)計認為，采用事故容錯燃料技術(shù)研制的新型核燃料有望于2022年前后在商業(yè)反應(yīng)堆中測試并推廣。

公開信息顯示，我國ATF國家重大專項已在概率設(shè)計、評價準則與選型方法、燃料元件三維分析軟件開發(fā)及行為研究、安全分析評價、概率安全分析、離子輻照方法與分析等燃料總體設(shè)計、系統(tǒng)評價方面取得一定研究成果，正在進一步探索燃料升級，提升核能利用的安全性。

中廣核研究院副總經(jīng)理郝志堅曾在國家科技重大專項事故容錯燃料研發(fā)項目專家委員會第二次全體會議上表示，中廣核順利完成了ATF燃料概念設(shè)計，并突破了先進包殼與芯塊材料的成分設(shè)計與制備工藝，初步評價了事故工況下ATF的安全收益。

此外，中核集團董事長、黨組書記余劍鋒日前公開表示，該集團從2010年開始研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CF系列燃料組件。目前，在MOX燃料元件、環(huán)形燃料元件、耐事故燃料元件等新型燃料元件技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域也取得重大進展。