英國國家核實驗室日前發布的《燃料凈零：清潔能源未來的先進燃料循環路線圖》稱，英國必須開發先進核燃料及燃料循環技術，才能實現清潔能源目標。美國南方核運營公司核燃料供應部門負責人近日也透露，其正在研發更高豐度和更高燃耗水平的事故容錯燃料（ATF），最早在2026年秋季將沃格特勒核電廠1、2號機組的換料周期從18個月延長至24個月。
作為我國能源結構低碳轉型的重要組成部分，核電要發揮優勢并實現安全、高效運行，扮演“能量來源”角色的核燃料性能至關重要，也正因如此，先進核燃料正成為各國在先進核能技術研發領域新的競技焦點。
核燃料性能提升路線已明確
先進核燃料研發的重要性，在我國“十三五”期間發布的《能源技術革命創新行動（2016—2030）》（以下簡稱《創新行動》）中已有體現。
這份由國家發改委、國家能源局于2016年3月發布的文件，在“先進核能技術創新”領域提出，要實現自主先進核燃料元件的示范應用，推進事故容錯燃料元件（ATF）、環形燃料元件的輻照考驗和商業運行，并具備國際領先核燃料研發設計能力。
ATF的主要特征是通過材料和設計改進，降低在事故工況下核燃料熔化的風險，由于在設計上考慮了與現役輕水堆機組的匹配，成為各國目前重點推進的研究方向之一。2019年2月，我國首次實現ATF燃料堆內輻照：中廣核自主研發設計的S2FPI-A型ATF小棒載入研究堆，開始輻照試驗，以此獲得燃料在反應堆內的輻照數據，為后期先導棒入堆等工作提供支撐。記者了解到，美國、俄羅斯計劃將于2025年前后進行ATF組件的商業化應用。
此外，另一種革新性燃料——環形燃料元件具有換熱效率大幅提升的顯著優勢。資料顯示，在維持現有安全裕度不變的前提下，環形燃料相比傳統燃料，堆芯輸出功率可以提升20%—50%。今年5月，中核北方壓水堆核燃料生產線下線了本年度首個環形燃料實驗組件模擬件。
根據《創新行動》要求，到2030年，我國要實現ATF先導棒/先導組件商用堆輻照考驗，初步實現環形元件在壓水堆核電站商業運行；钚鈾氧化物混合燃料（MOX）組件批量化生產管理技術達到國際先進水平，快堆金屬元件具備規模化應用條件。
“事故容錯”燃料仍待突破
作為先進核燃料的發展方向之一，ATF近年來一直是各國競相發力的技術研發路線。但據記者了解，目前各國的ATF想達到真正意義上的“事故容錯”，還有很長的路要走。
“客觀上講，我國在先進核燃料研發方面，比其他國家起步較晚，研發進度處于追趕狀態。”一位核電行業專家直言，“實際上，真正意義上的ATF需要對燃料芯塊做顛覆性改變，目前很多國家離這個突破都有一段距離。”
公開信息顯示，今年2月，法瑪通公司的GAIA增強型事故容錯燃料（EATF）先導組件完成了18個月燃料循環。據了解，這種燃料組件采用鉻增強型燃料芯塊包覆M5鋯合金包殼以及鉻涂層，提高了燃料的抗氧化性能和抗磨損性能，由此減少了核電站正常運行過程中發生燃料故障的可能性，同時可提高電廠運行效率。
2019年春季，西屋電氣研發的ATF產品EnCore燃料在美國拜倫核電站2號機完成安裝。該燃料由帶鉻涂層的包殼管內填充硅化鈾芯塊而成，具有較常規燃料更高的密度和導熱性。據了解，該燃料僅對當前使用的西屋包殼燃料進行增量更改，兼顧了燃料性能的提升和可用性。
上述專家解釋，現有核燃料組件的包殼采用鋯合金材料，而根據業內先進理論，可以用碳化硅材料完全替代鋯合金，以大幅提升燃料組件耐事故的能力。“單從工藝上看，把碳化硅加工成核燃料包殼管材的難度非常大。目前西屋等公司仍處于材料相關的基礎研究階段。”
該專家認為，目前各國對ATF的研發與應用基本處于第一階段，即在燃料芯塊制備時加入其它成分提高導熱性能，無論是反應堆正常工況下運行時的效率，還是發生事故時的快速散熱能力，都能有所提升。“而碳化硅材料等應用可以視作ATF研發的第二階段，目前各國想要在2030年前突破到第二階段，還存在困難。”
新燃料或增加“出海”砝碼
作為核電機組的能量來源和第一道安全屏障，核燃料的性能直接反映了一個國家核能技術的競爭力。
“核燃料組件是核電站提升反應堆安全性、經濟性的重要環節，而出于提升我國核電品牌競爭力以及核電‘走出去’等考慮，近年來我國核燃料組件研究重點更多放在了實現自主化方面。”上述專家坦言。
據了解，我國目前已成功研發的三代核電技術華龍一號、國和一號，除反應堆實現自主化外，燃料組件也已實現自主化突破。公開信息顯示，華龍一號CF系列燃料組件體系已形成，解決了燃料組件出口受限問題，滿足國內二代改進型核電、華龍一號及出口核電項目需求；國和一號自主化先進核燃料定型組件也已經研制成功。
那么，各國在新型燃料組件研發應用上的差距，是否會影響到核電“訂單”的競爭格局？
接受記者采訪的業內人士認為，正是由于現階段的ATF等新型燃料還沒有實現顛覆性的改變，相比之下核電項目招標的整體造價等，仍是現階段影響核電項目招標的主要因素。“目前，ATF對于效率和安全性的提升更多是一種‘錦上添花’，還不足以左右項目競標。但是一旦哪家公司短期內能突破到第二階段，掌握碳化硅包殼組件等顛覆性的技術，這種先進的燃料組件就可能轉而成為主要因素，大幅提升項目競標中的競爭力。”
