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美国核电站耐事故燃料性能不断提升

日期:2021-07-07    来源:嘿嘿能源heypower  作者:heypower

国际电力网

2021
07/07
10:41
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关键词: 核电站 福岛核事故 核能发电

耐事故燃料(ATF)是为了比传统的燃料更能承受反应堆堆芯冷却失灵而设计的,并在正常运行期间保持和改善燃料和电厂性能。ATF是基于事故情况下,存在一定的安全裕度而设计,同时保证更有效的正常运行。设计中,也考虑了与可再生能源更好的配合,提高电厂的性能。

在2011年福岛核事故之后,美国国会、能源部和核工业界认识到,要优先开展ATF技术的研究和开发。因此,能源部启动了一项为期10年的计划,目标是在2022年前将具有增强事故耐受性的试验棒应用于商业反应堆。

重大突破发生在2018年2月,全球核燃料公司(GNF)的Iron Clad和ARMOR ATF铅测试组件(LTA)在南方核运营公司的哈奇工厂投入使用。

通过使用分段棒装载ARMOR LTA,简化未来的燃料检查工作,同时也是在商业核电厂首次使用含颗粒的ATF。2019年3月,南方公司将世界上第一根全长ATF燃料棒采用Framatome公司的PRO tec设计装入Vogtle-2核电站

此外,一些国家已经通过经合组织核能机构、国际原子能机构和欧洲原子能共同体(Euratom)制定了ATF计划和国际ATF联合计划。为了确保这些新燃料的广泛适用性,美国核工业成立了ATF工作小组。在核能研究所的协调下,该小组包括来自NEI、DOE、燃料供应商、电力研究所(EPRI)、核电公司以及其他各种行业专家的代表。另外,核管理委员会已经发布了《高效耐事故燃料项目计划》,概述了为供应商提供的安全审查所做的准备。

为了促进行业的广泛采用,行业制定了以下ATF设计的标准。

1.可接受的中子吸收截面,确保足够的运行和经济性。

2.适用于当前轻水反应堆。

3.有足够的原材料供应以满足全球轻水反应堆的需要。

4.在正常运行条件下与目前的轻水反应堆冷却剂相兼容。

5.满足现有的设计、运行、可靠性和许可要求。

正在开发中的ATF可以分为近期部署和远期部署两类。近期部署的ATF使用目前的结构、法规和监管规则,预计将在20世纪20年代中期建设的核电站上实现商业部署。

远期部署的ATF仍在开发和测试中,可能需要制定新的监管框架。因此,在运行中的商业反应堆中进行部署之前,可能需要花费很多时间进行监管措施和许可规则的制定。

商业反应堆决定是否采用ATF,一个关键指标是ATF部署的时间表。越早部署,其安全和经济效益就可能在现有电厂的剩余寿命内越早实现。理想情况下,ATF能提高核电站的安全性,同时有可能降低运营成本并提高工厂的效率。“安全效益”意味着安全性提高,这比标准的锆/二氧化铀(Zr/UO2)燃料的性能更有优势。

先进核燃料的研究、开发、许可和部署意味着大量的投资,以及燃料供应商、运营公司、研究机构、监管部门和政府机构之间的合作。任何新的燃料技术在经济上都是可行的,需要大量的安全和经济实践来证明采用这项技术的合理性。

其优势包括提高了安全系数、燃料可靠性、经济性,优化燃料循环操作策略、减少废物产生等。在过去的一年里,美国核工业一直在积极开发ATF,目标是在2020年代早期到中期开始部署。因此,EPRI已经制定了ATF技术的安全和经济效益评估规则。

ATF的价值

在过去的30年里,EPRI一直在与政府、监管机构和商业利益相关者合作,研究具有更高的可靠性、安全性、效率和性能的先进燃料。虽然EPRI没有开发具体的ATF技术,但提供了关键的安全、经济和运营技术分析,以支持实施ATF的战略决策。

商业反应堆业主和运营商采用ATF的前提是需要评估ATF的收益和成本。2017年,EPRI对ATF预期性能进行了初步评估,量化了ATF所需的各种安全增强措施。在事故发生的假设下,EPRI对ATF的性能进行了评估,并将ATF的结果与使用目前Zr/UO2燃料设计进行了比较。在这一初步评估之后,EPRI基于更多的事故情景进行了分析,进行了燃料循环优化评估(通过增加运行安全系数,同时提供更高的燃料可靠性、燃料循环优化和减少乏核燃料,增加浓缩的多功能性能,相对标准Zr/UO2燃料更有优势。)因此,研究工作量大大增加,包括研究严重事故处置策略,进行安全标准分析,评估燃料循环优化等,EPRI的后续分析得出以下结论。

ATF可以提供更多的时间,以应对和缓解事故。

对于有核态沸腾(DNB)限制的压水堆失流事故,带有二氧化铀的Zr-合金包壳和标准Zr/UO2燃料系统的分析结果实际上是一样的。然而,这些结果也表明,如果目前的DNB验收标准被包层强度的失效机制所取代,就可以改变电厂运行策略、增加堆芯设计的灵活性,以提高经济收益。

压水堆冷却剂损失事故(LOCA)评估显示,随着涂层包壳和掺二氧化铀颗粒技术的使用,安全系数有所提高。额外的安全系数是通过使用具有更高导热性的颗粒来实现的,这使得颗粒的工作温度降低。此外,ATF包层大大减少了局部氧化。

包层—蒸汽氧化动力学。这些性能上的好处可以延迟紧急核心冷却系统(ECCS)的启动,但还需要更多的研究来证实这种可能性。

LOCA评估显示,通过减少氢气的产生量和氧化层的厚度,涂覆的Zr合金包壳能增加包壳在LOCA条件下的延展性和弹性。

涂层Zr—合金包壳可以支持适度增加峰值因子,以满足压水堆燃料循环优化的需求。

沸水反应堆ATF满足允许沸腾过渡的安全分析的许可要求。ATF提高了燃料安全性,使其能够承受发生沸腾过渡时的短暂干涸期,使得燃料循环成本降低。

BWR ATF概念可以满足ECCS

满足LOCA的许可要求的同时,大幅减少了ECCCS的注入流量。ATF的安全裕度可以通过利用额外的CPR裕度,放宽scram要求,取消周期结束时再循环泵的跳闸功能,允许在当前许可的运行限制内以较低的堆芯流量运行,从而实现运行和维护成本的降低。


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