俄大力推進核燃料研究

為了提高核電廠運行安全水平，加強核電的經(jīng)濟競爭力，俄羅斯核燃料產(chǎn)供集團一直積極開展核燃料研究，不僅持續(xù)推動傳統(tǒng)核燃料的技術(shù)進步，還在大力推進新型核燃料的商業(yè)化應(yīng)用，包括供輕水堆使用的耐事故燃料(ATF)和再生混合物(REMIX)燃料以及供快堆使用的混合氧化物(MOX)燃料和混合氮化物(MNUP)燃料。

傳統(tǒng)核燃料

對于VVER-1000機組，產(chǎn)供集團已推出第四代燃料產(chǎn)品。第四代燃料組件在確保核電機組繼續(xù)保持高安全水平運行的同時，能夠顯著提高機組運行的經(jīng)濟性，燃料成本在總發(fā)電成本所占比例將降低2%～4%。歐洲多國的VVER機組已裝入第四代燃料組件。2018年，保加利亞科茲洛杜伊核電廠裝入第三批TVSA-12燃料，捷克泰梅林電廠裝入首批TVSA-T二型燃料。

產(chǎn)供集團還準備推出鈾-235豐度超過5%的燃料(目前燃料中鈾-235豐度最高為4.85%)，以便將核電機組換料周期延長至24個月。目前，俄已將所有VVER-1000機組換料周期從12個月延長至18個月，與VVER-1200的換料周期相同。

2020年6月，俄啟動第三代VVER-440核燃料即RK3+型燃料的測試工作。這項工作是根據(jù)產(chǎn)供集團與捷克能源集團2019年簽署的燃料供應(yīng)合同開展的。俄科拉4號機組自2010年以來一直在使用RK3+原型燃料。相對于前幾代VVER-440燃料，RK3+擁有更好的物理和熱工水力性能以及更長的燃料棒間距，可以優(yōu)化堆芯的水-鈾比，提高燃料效率。因此運營商能夠延長機組的換料周期。

為了進入西方設(shè)計壓水堆的燃料市場，俄利用在VVER燃料研發(fā)和生產(chǎn)過程中積累的經(jīng)驗，研發(fā)了TVS-K燃料。這種燃料能夠?qū)⒑穗姍C組換料周期延長至5年，實現(xiàn)更高的燃耗(70 MWd/kgU)，并具有很高的運行安全性和可靠性。2014年春季，首批測試燃料組件裝入瑞典靈哈爾斯3號機組堆芯，接受輻照測試。2016年5月，產(chǎn)供集團、通用電氣-日立公司和環(huán)球核燃料美洲公司組建聯(lián)合體，準備合作向美國壓水堆運營商推廣TVS-K。2016年7月，俄產(chǎn)供集團與一家美國核電運營商簽署在美國壓水堆試驗性輻照TVS-K的首份合同。產(chǎn)供集團2016年12月宣布與瑞典瓦騰福公司(Vattenfall)簽署向靈哈爾斯核電廠供應(yīng)TVS-K的合同。這是首份TVS-K商業(yè)供應(yīng)合同。首批TVS-K將于2021年交付。

耐事故燃料

產(chǎn)供集團正在研發(fā)四種能夠顯著提高現(xiàn)有核電機組運行安全水平的ATF方案。第一種是使用帶有鉻基耐熱涂層的包殼。涂層能夠防止鋯與一回路中的冷卻劑接觸，從而減少嚴重事故時產(chǎn)生的氫氣量。第二種是使用鉻鎳合金包殼。雖然這種合金的中子俘獲截面大于鋯，但其機械特性意味著包殼的厚度可以減小。第三種是使用鈾鉬合金燃料，提高鈾密度和導熱性。第四種是采用復合材料制造包殼，包括擁有較小中子俘獲截面的碳化硅材料。

2019年，核反應(yīng)堆研究所完成了首批2個ATF試驗組件的反應(yīng)堆輻照測試。這2個組件由新西伯利亞化學濃縮廠制造，含有2種燃料芯塊和2種包殼：燃料芯塊分別是傳統(tǒng)二氧化鈾芯塊和鈾鉬合金芯塊；包殼分別是帶鉻涂層的鋯合金包殼和鉻鎳合金包殼。這些芯塊和包殼組成了4種燃料棒。每個燃料組件包含24根具有不同材料組合的燃料棒，可用于俄VVER反應(yīng)堆和西方壓水堆。這些燃料組件2019年1月裝入MIR研究堆，在“盡可能接近”商業(yè)壓水堆機組運行狀態(tài)的條件下進行測試。在完成首個輻照循環(huán)后，將2個組件從反應(yīng)堆中移出。檢查沒有發(fā)現(xiàn)燃料棒幾何形狀發(fā)生改變，包殼表面也沒有受損。從中已抽取幾根燃料棒，開展進一步輻照后檢查。相關(guān)結(jié)果將被用于確定最佳的材料組合。此外，還將多個未輻照樣本裝入燃料組件，繼續(xù)在MIR進行輻照測試。

產(chǎn)供集團計劃于2020年利用商業(yè)核電機組對ATF燃料進行輻照測試。首批擬用于VVER-1000機組的ATF料組件已于2019年12月通過驗收測試。羅斯托夫核電廠的一臺機組將于2020年裝入3個ATF組件。每個組件含有12根燃料元件，使用了兩種包殼：一種是帶鉻涂層的鋯合金包殼，另一種是鉻鎳合金包殼。

再生混合物燃料

俄羅斯正在開發(fā)一種新的熱堆閉式燃料循環(huán)概念：REMIX燃料循環(huán)。這種燃料由回收鈾钚混合物(即通過乏燃料后處理獲得的鈾钚混合物)和濃縮鈾(鈾-235豐度最高為17%)制成，钚-239含量約為1%，鈾-235含量約為4%，中子譜與傳統(tǒng)輕水堆濃縮鈾燃料差別不大，因此堆芯中燃料組件的行為以及因鈾增殖產(chǎn)生的钚數(shù)量與傳統(tǒng)輕水堆燃料類似。這意味著核電運營商不需要對反應(yīng)堆設(shè)計進行任何修改，也不需要采取額外安全措施，即可在反應(yīng)堆中使用REMIX燃料。

REMIX燃料的換料周期為4年，燃耗為50 GWd/t。在REMIX乏燃料中，钚-239含量約為2%，鈾-235含量約為1%。在水池中冷卻5年后，可以對REMIX乏燃料進行后處理，以對有用材料進行循環(huán)利用，對裂變產(chǎn)物和次錒系元素等廢物進行玻璃固化，然后貯存起來等待地質(zhì)處置?？梢栽诂F(xiàn)有的VVER-1000反應(yīng)堆中對REMIX燃料進行全堆芯的循環(huán)使用，最多循環(huán)5次。因此，從理論上說，一座壽期為60年的反應(yīng)堆只需要三批燃料裝料——僅需在每次循環(huán)過程中補充低濃鈾并轉(zhuǎn)移廢物。相對于開放式燃料循環(huán)，REMIX燃料每循環(huán)一次可降低約20%的天然鈾需求。

2016年9月至2017年3月，在核反應(yīng)堆研究所的研究堆對REMIX燃料進行了輻照測試，獲得了關(guān)于燃料元件運行參數(shù)的初始試驗數(shù)據(jù)。

3個含有REMIX實驗燃料棒的TVS-2M燃料組件自2016年開始在巴拉科沃3號機組中接受輻照。2020年啟動了第三個換料周期(為期18個月)的輻照測試。2021年，這些燃料棒將從堆芯卸載，然后在水池中冷卻1年半，于2023年運至核反應(yīng)堆研究所，供開展進一步研究。

圖1 REMIX燃料循環(huán)示意圖

俄羅斯國家原子能集團公司投資委員會2020年8月批準了西伯利亞化學聯(lián)合體燃料生產(chǎn)線升級改造項目。此次升級改造將使該聯(lián)合體能夠制造供VVER-1000反應(yīng)堆使用的REMIX燃料。但鈾钚燃料芯塊由位于熱列茲諾戈爾斯克的礦業(yè)與化學聯(lián)合體制造。

混合氧化物燃料

俄MOX計劃于2000年啟動。當年，俄羅斯和美國簽署《钚管理與處置協(xié)定》，將各自處置34噸過剩武器級钚。擬采用的處置方式均是將這些钚制成MOX燃料，但美擬將這些燃料用于熱堆商業(yè)機組，而俄擬用于快堆機組。當時預(yù)計西方國家將向俄轉(zhuǎn)讓相關(guān)技術(shù)并提供資助，但實際上，俄在西方國家未提供任何幫助的情況下獨立推進MOX燃料的研發(fā)。

當美國2018年決定取消其MOX計劃時(詳見本刊2018年第11期相關(guān)報道)，俄MOX燃料研發(fā)工作已取得良好進展。2011年，俄通過了旨在建立快堆閉式燃料循環(huán)的長期發(fā)展戰(zhàn)略。此后，為MOX燃料制造撥付了大量資金。

MOX燃料制造廠位于熱列茲諾戈爾斯克礦業(yè)與化學聯(lián)合體，在地下200米深的礦井中，2014年底全面投入運行，2015年完成了首個組件的相關(guān)試驗，2018年啟動批量制造，2020年8月獲得核監(jiān)管機構(gòu)頒發(fā)的5年全面運行許可證，能夠全面啟動MOX燃料的批量制造。此前，該廠根據(jù)有效期同樣為5年的試運行許可證開展燃料制造工作。MOX燃料芯塊的基礎(chǔ)制造工藝由Bochvar無機材料研究所研發(fā)，使用的原料是貧鈾和钚。

在換裝了首批由MOX燃料廠批量制造的MOX燃料后，俄唯一的BN-800型鈉冷快堆即別洛雅爾斯克4號機組2020年1月重新投入運行。最初投運時，這臺機組裝填了由鈾燃料和MOX燃料組成的混合堆芯。其中MOX燃料由核反應(yīng)堆研究所制造。

產(chǎn)供集團2020年7月宣布，已為別洛雅爾斯克4號機組制造整個堆芯換裝所需的MOX燃料。這批燃料將于2020年底運至別洛雅爾斯克核電廠，2021年1月開始換料。

混合氮化物燃料

相對于傳統(tǒng)核燃料，MNUP燃料擁有許多優(yōu)點，包括更高的密度、更強的導熱性以及與液態(tài)金屬冷卻劑的更好相容性。此外，MNUP燃料的增殖比為1.4，高于MOX燃料的1.2。這意味著相對于MOX燃料，MNUP燃料能將更多的鈾-238增殖為钚-239。俄正在為BREST-300鉛冷快堆以及其他快堆研發(fā)MNUP燃料，已成功研發(fā)利用氧化物粉末制造MNUP燃料的技術(shù)，并在實驗室規(guī)模測試了利用回收鈾钚氧化物制造MNUP燃料的技術(shù)。

從2015年4月開始，俄利用別洛雅爾斯克3號機組(BN-600鈉冷快堆)對MNUP燃料進行輻照測試。西伯利亞化學聯(lián)合體2016年12月宣布，已成功完成對MNUP燃料的輻照后檢測，確認MNUP燃料對BREST鉛冷快堆的適用性。俄原集團2020年6月宣布，反應(yīng)堆輻照測試已經(jīng)證實MNUP燃料的安全性；輻照測試進展順利，已有1000多根燃料棒接受輻照，沒有出現(xiàn)降壓情況，證明燃料元件外殼的完整性得到保持；“原則上，我們準備證明MNUP燃料可適用于任何快堆?！?/p>

MNUP燃料研發(fā)和制造是旨在實現(xiàn)閉式核燃料循環(huán)的“突破”計劃的重要組成部分。根據(jù)“突破”計劃，俄原集團正在西伯利亞化學聯(lián)合體建設(shè)一個中間示范電力綜合體(PDPC)，包括一個MNUP燃料制造/再加工模塊、一座BREST鉛冷快堆和一個乏燃料后處理模塊。燃料制造模塊2014年8月啟動建設(shè)。根據(jù)最初的計劃，燃料制造模塊、反應(yīng)堆和后處理模塊應(yīng)分別于2018年、2020年和2022年建成。根據(jù)俄原集團最新公布的信息，上述三個模塊的建成日期已分別推后至2021年、2026年和2028年。

在“突破”計劃中，俄還計劃將從乏燃料中提取的次錒系元素納入燃料基體。Bochvar無機材料研究所2019年8月宣布已成功研發(fā)一種實驗性高壓電脈沖壓縮裝置，可用于制造含有次錒系元素的MNUP燃料芯塊。這一裝置可大幅簡化芯塊制造過程，其主要優(yōu)點是能夠同時高速進行壓制和燒結(jié)操作，在脈沖性放電和壓力的作用下，能夠獲得給定密度和幾何尺寸的燃料芯塊。這項技術(shù)可以大幅減小生產(chǎn)空間，降低能耗，并簡化遠程操作。

次錒系元素氮化物的熱化學穩(wěn)定性較低，如果采用現(xiàn)有的MNUP燃料芯塊制造工藝(加壓和高溫燒結(jié))，它們會在芯塊制造過程中蒸發(fā)。

小結(jié)

為了提升核電廠運行經(jīng)濟性和安全性，俄羅斯持續(xù)推進傳統(tǒng)核燃料研究，迄今已推出四代VVER-1000燃料和三代VVER-440燃料。俄還專門研發(fā)了適用于西方壓水堆的燃料，并成功進入西方壓水堆燃料市場。

俄積極開展新型核燃料研究，并不斷取得成果：ATF燃料已完成研究堆輻照測試，即將在商業(yè)機組中接受考驗；REMIX燃料已在研究堆和商業(yè)機組中接受輻照測試，即將商業(yè)化生產(chǎn)；MOX燃料已投入實際應(yīng)用，BN-800機組即將實現(xiàn)全堆芯MOX燃料運行；MNUP燃料的反應(yīng)堆輻照測試工作也進展順利。