11月26日，國際首次環(huán)形燃料元件零功率物理實驗在中核集團中國原子能科學(xué)研究院(以下簡稱原子能院)核臨界安全中心完成，標(biāo)志著我國壓水堆環(huán)形燃料研究進入工程化實驗驗證階段。
同時提升核電經(jīng)濟性和安全性
燃料元件被稱為反應(yīng)堆的“心臟”。長期以來，科研人員試圖通過材料革新來延長“心臟”的壽命。與關(guān)注材料研究的方向不同，環(huán)形燃料主要通過改變結(jié)構(gòu)形式提升燃料元件的整體性能，從而同時提升核電的經(jīng)濟性和安全性。
“環(huán)形燃料是一種結(jié)構(gòu)上完全革新的先進燃料元件。”原子能院堆工部主任楊紅義告訴《中國科學(xué)報》，環(huán)形燃料是將燃料芯塊制成環(huán)狀，在芯塊內(nèi)、外表面加裝包殼管，使得冷卻劑可以從內(nèi)、外兩個流道同時對元件進行冷卻，增加了傳熱面積，提高了換熱效率。
與現(xiàn)有壓水堆相比，保持堆芯輸出功率不變情況下，采用環(huán)形燃料組件芯塊和包殼的峰值溫度更低，將顯著提升堆芯的安全性;若維持現(xiàn)有的安全裕度不變，堆芯輸出功率可以提升20%~50%，從而大幅提高核電的經(jīng)濟性。
由于環(huán)形燃料經(jīng)濟性和安全性的明顯優(yōu)勢，美、韓等國相繼開展了環(huán)形燃料的研發(fā)。只是，它們都因為種種原因而未能按計劃推進。
十年磨一劍
我國環(huán)形燃料的研發(fā)始于2008年。作為總體技術(shù)單位，原子能院制定了壓水堆環(huán)形燃料組件研發(fā)的技術(shù)路線圖，并負責(zé)環(huán)形堆芯設(shè)計、組件設(shè)計及堆內(nèi)外性能試驗驗證;中核北方核燃料元件有限公司(簡稱中核北方)負責(zé)環(huán)形燃料組件制造、組裝和檢測工藝研究，上海交大、哈爾濱工大等高校參與了環(huán)形燃料組件的研發(fā)。
目前，原子能院已初步完成了先導(dǎo)組件考驗堆芯以及先導(dǎo)組件的設(shè)計;聯(lián)合中核北方掌握了環(huán)形燃料組件制造、組裝和檢測工藝，研制出多套關(guān)鍵結(jié)構(gòu)試驗部件，環(huán)形燃料全尺寸試驗組件完成交付;成功實現(xiàn)環(huán)形燃料小組件在49-2堆的輻照考驗，累積考驗6個輻照周期。
“環(huán)形燃料從未在堆內(nèi)應(yīng)用，并且其堆芯物理計算分析方法與棒狀燃料存在顯著差別，原有堆芯物理計算程序需要驗證。”原子能院堆工部副主任季松濤說，“國內(nèi)和國際都只做了程序與程序之間的對比驗證，其有效性和可靠性不能得到充分驗證。”
環(huán)形燃料零功率物理實驗數(shù)據(jù)還將為計算程序檢驗提供最直接證明。季松濤告訴記者，環(huán)形燃料零功率實驗采用96根環(huán)形燃料元件與136根棒狀燃料元件構(gòu)建混合裝載堆芯，將陸續(xù)開展臨界參數(shù)測量、功率分布測量、等溫溫度效應(yīng)等一系列臨界實驗研究。
只是第一步
10年自主研發(fā)，環(huán)形燃料組件的整體研發(fā)已進入先導(dǎo)組件入堆前的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段。
“目前研發(fā)工作進展順利，未出現(xiàn)不可逾越的難題。但環(huán)形燃料在結(jié)構(gòu)上完全革新，須不斷解決研發(fā)中出現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)問題，夯實基礎(chǔ)。”季松濤說。
后續(xù)，研發(fā)團隊將開展環(huán)形燃料先導(dǎo)組件入堆設(shè)計，環(huán)形燃料、棒狀燃料混合裝載堆芯物理分析，百萬千瓦級環(huán)形燃料堆芯設(shè)計，環(huán)形燃料模塊化小堆堆芯設(shè)計，低溫供熱、海洋核動力等特殊用途環(huán)形燃料堆芯設(shè)計，環(huán)形燃料其他工程應(yīng)用的模擬實驗研究等。
在中國工程院院士徐銤看來，作為一種結(jié)構(gòu)上完全革新的先進燃料元件，環(huán)形燃料已成為壓水堆先進燃料組件的重要發(fā)展趨勢之一，但“最終還是要看應(yīng)用得怎么樣”。
對此，楊紅義表示，當(dāng)前研發(fā)的環(huán)形燃料組件所有結(jié)構(gòu)部件均為自主設(shè)計和制造，全部技術(shù)完全自主可控，制造及后處理工藝與現(xiàn)有燃料循環(huán)體系完全相容，因此，該燃料組件具有較高的工業(yè)技術(shù)成熟度，易于快速實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
他表示，未來的將瞄準基于環(huán)形燃料組件的先進壓水堆發(fā)展方向，開展新一代壓水堆環(huán)形燃料堆芯的方案設(shè)計，以期早日建成世界領(lǐng)先水平的先進環(huán)形燃料壓水堆。
“靠燃料自主研發(fā)和技術(shù)提升來牽引堆型的發(fā)展，這種核電發(fā)展的轉(zhuǎn)變也是一種創(chuàng)新。”徐銤說。
