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福岛10年后:新燃料可以让核电更安全吗?

23 Feb 2021
从2月2021年起出问题 物理世界,它在标题“改善核燃料安全”中出现。物理研究所成员可以享受全部问题 通过这一点 物理世界 app.

福岛灾难之后十年, 迈克尔艾伦 调查学术界和工业的索赔,即下一代核燃料可以降低同样发生的类似事故的风险

福岛Daiichi核电站
福岛达奇电厂的Iaea检查员。 (cc by-sa greg webb / iaea)

在下午2.46点。当地时间在2011年3月11日星期五,巨大的地震袭击了日本东北部。在近海击中130公里,复杂的双场测量了9.0的Richter Scale,并持续了大约三分钟。在那个时候,海底650公里长的部分水平移位了10-20米,而日本则移动了几米的东部,当地海岸线占地半米。

最初是 Fukushima daiichi. 核电站 - 东京东北部225公里左右 - 幸存了地震。但大约40分钟后,它被15米高的海啸吞噬了。在地震后,三个操作电抗器自动关闭,但巨大的波禁止了向冷却系统提供备用电源的紧急柴油发电机。没有什么可以冷却反应堆,他们的核燃料核心开始过热并融化。强大的氢气爆炸对反应堆建筑物造成了广泛的损坏(如上图所示)和释放的辐射和放射性物质。

全球核社会从事多管齐下的努力,以提高核反应堆的安全。

伊利诺伊大学

下列的 福岛的事故,核工业的成员开始致力于提高燃料概念,以增加事故耐受性。他们的目标是创造燃料,可以容忍反应器中的任何潜在的冷却损失,以及其他不良事件,比目前的燃料更长,从而增加了安全利润率。在美国,这项倡议由能源部(DOE)汇集在一起 事故宽容燃料开发计划。在2012年推出,它旨在通过2022年在商业反应堆中进行测试燃料棒。

“全球核心界从事多管齐下的努力来改善核反应堆的安全,这已经非常非常安全,”解释 布伦特赫瑟 ,美国伊利诺伊大学的核工程师。 “其中一个方法是攻击与包封铀 - 二氧化铀燃料的包层的行为有关的具体问题。”

在大多数商业反应堆中,燃料棒由堆叠在由锆合金制成的长包管内的二氧化铀燃料颗粒组成。用作保护颗粒的屏障,在正常操作条件下锆对腐蚀非常耐腐蚀,其中燃料棒在300℃的温度下静置在水中。 (在如此高的压力下,水不会沸腾。)“这是一种讽刺意味。锆是最活力的金属之一,但它在正常操作条件下在反应堆中表现非常非常好,“Heuser说。 “它的腐蚀行为非常好。它是辐射耐受性。这是第一个工程障碍。包层失败的概率非常遥远。“

在非常高的温度下,锆与水反应产生氢,这在福岛产生了爆炸。

乔纳森科布,世界核协会

然而,如果存在温度偏移并且水冷却剂开始沸腾,则将包层暴露于高温蒸汽,锆易于反应。它迅速转化为氧化锆,变得非常脆,这可以使其破裂,因此不再用作保护屏障。

这种包层负责福岛事件期间看到的爆炸,乔纳森科克州的高级沟通经理 世界核协会。 “在非常高的温度下,锆与水反应产生氢气,”他说。 “并且这种氢气是在福岛达奇看到的爆炸产生的东西。”

改进的封闭

核工业已经解决第一代事故燃料的方法是覆盖包层,以阻止锆在事故过程中直接暴露于高温蒸汽。这就是Heuser的实验室所做的 - 它测试了传统的锆基合金包层上的铬涂料。

“改善现有包层的优势是你不是从头开始的,”Heuser说。 “在正常运行条件下,您正在验证的东西在正常运行条件下工作,并且您正在涂上涂层,这代表了对反应堆的正常操作参数的扰动,但为您提供了这种内置的防御如果瞬态发生,并且包层会暴露在高温蒸汽上。“ Heuser的团队在正常运行条件下进行了测试,并在暴露于高温蒸汽,铬涂层表现良好。

figure 1

实际上,镀铬包衣现在开始出现在商业核反应堆中。作为2012年计划的一部分,DOE签订了三家公司,以发展宽容燃料: 粉碎机 , 西屋 GE研究 。 Framatome(法国公司)和西屋(来自美国)一直都是开发铬涂料的锆合金燃料棒。 Westinghouse安装了测试杆,其先进的包层 拜伦核发电站 在2019年的伊利诺伊州,而且 Doel核电站 在比利时在2020年。同时骨灰组的铬涂层燃料棒装入反应器中 伏漠电器发电厂 在2019年初在美国的格鲁吉亚。所有三个反应堆目前正在使用这些升级的棒用于一些燃料循环,之后将被检查。

延迟反应

意外宽容燃料的目的是在事故中延迟反应,而不是完全防止它。 “目标不是说,好的,这已经发生了,我们可以让大自然采取课程,在三天内,我们将很好,”Heuser说。 “这绝不是目标。这是完全不切实际的。问题是:我们可以买多少时间?“他指出,研究表明,铬涂层可以防止高温蒸汽反应与下面的锆覆层覆盖几小时,这可能是反应堆操作者的足够时间来解决问题。

如果您可以在控制下购买几个小时才能让您的冷却恢复,那么您可以保存反应堆。

Dave Goddard,国家核实验室

作为戴夫戈德德,英国先进的核燃料计划的技术领导 国家核实验室y(nnl),把它放了:“如果你可以买几个小时,以便在控制下恢复冷却,那么你可能会保存反应堆。”但他是不确定的,如果铬涂层的延迟时间足够长。 “在铬涂层概念上完成的很多建模都认为它实际上可能是几分钟,而不是小时。”

A fuel rod featuring chromium-coated cladding

然而,有其他选择,如完全改变包层材料。碳化硅复合材料,更具类似于陶瓷的材料,是目前正在研究的一种潜在解决方案。这些材料具有出色的高温性能。 “在开始看到任何不利的行为之前,你可能会达到大约800°C的硅片覆盖,”戈达德解释道。但是,将这些复合材料成4米长的墙壁,薄壁挑战。目前这是使用可能需要数周的化学气相沉积技术,为技术的经济可行性产生问题。但是,英国的研究人员,由NNL支持,正在努力改善这种制造技术。

同时,美国公司GE研究已经开发出两种产品:一种新的铁基合金包覆材料,称为Ironclad,Armor,一种用于锆覆层的涂层。铠装涂层不是铬, Russ Fawcett. - 谁在GE管理燃料计划 - 解释说,这补充说是专有产品,公司尚未披露其组成。

与其他意外宽容的燃料概念一样,目的是在严重事故中提供稳定电厂的时间。 Fawcett说,在类似于福岛的停电情况下,研究表明GE的熔覆产品可以在三到六个小时之间购买。到目前为止,他们已经通过长时间暴露于GE研究和Reactors的高温蒸汽进行测试 爱达荷国家实验室 在美国,与标准锆合金包层相比,两种产品表现出耐高温蒸汽的耐受性。 2018年,他们也安装在商业反应堆中 舱口核电站 在美国的佐治亚州,在2020年,GE执行了池畔考试,它表示展示了原型工作。

该公司现已与美国核监管委员会合作,授权其装甲产品用于核电站,而Ironclad的发展将继续。 GE希望在2025年和后一岁或五年后销售前者。

新燃料

通过改变坐在包层内管内的二氧化铀颗粒,还可以提高事故耐受性。

Elizabeth Sooby Wood的实验室 在美国圣安克萨斯大学,美国,研究人员正在寻找先进的技术燃料。 “这就是我们获得更好的燃料经济性或宽容燃料的地方。然后一些产品的重叠既重叠,“木材解释道。

当涉及耐腐败的燃料时,一个大量的木材和她的同事们看起来都是导热系数 - 这是燃料有效耗散它的热量,使其在不利事件期间不会达到真正的高温。在反应器中,所有燃料必须高于临界温度。导热性较少的燃料不会均匀升温,导致燃料比临界温度更热的斑点。

有意外的情景,硅化物确实更好地表现得更好。

伊丽莎白Syddy Wood,德克萨斯大学圣安东尼奥

相反,具有较高导热率的燃料可以在反应器中的均匀温度下运行,从而降低燃料的总体温度,这意味着它进一步从事故中从工作温度到熔点。较冷的燃料为您提供了更多的安全保证金。 “这是关于改善不同的物质家庭,以便他们更好地容忍这些异常情况,”木头说。

Elizabeth Sooby Wood and doctoral student Geronimo Robles

目前她的团队正在看硅化铀作为传统二氧化铀的替代品。在其自己的情况下,硅化硅实际上不是很耐受 - 如果它暴露于反应器冷却剂,则它具有比二氧化铀的更差的反应。 “但它确实具有更高的导热性,”木材添加了舒适的木材。 “所以有意外的情景它确实表现得更好。我们在看到我们是否可以将硅化物工程师造成硅化物以承受冷却剂的暴露。“

正如材料加入铁以产生不锈钢 - 比普通铁更少的腐蚀性材料 - 因此研究人员正在加入金属以制备硅化物合金。到目前为止,他们一直在添加铝和铬。所得合金在炉子中测试,可以高达1600℃,并且流过蒸汽以模拟燃料元件和铀化合物的冷却剂暴露。理想情况下,没有反应:硅化铀合金不会降解或点燃。迄今为止,研究人员在200℃至1000℃的温度下运行这些蒸汽氧化试验,结果一直很有希望,与纯硅化物相比,反应延迟发作。现在Sooby Wood的团队和其他人正在寻找不同的方法来融合金属以获得进一步的延误。

在这个阶段,工作只是基本的研发,质疑合金化作品以及是否可以改善燃料的行为。但是,如果成功,那么Sooby的木材表示,这些新燃料也可以提高燃料经济性,因为它们具有更高的铀浓度:每单位体积的铀。 “所以,对于完全相同的占地面积,你有更多的裂变材料。更多的东西赚取力量。“这意味着从电抗器输出更高的功率输出,其中许多目前正在以峰值运行。它还导致更长的燃料循环时间。

更高的铀密度也可以使用更先进的包层材料。 Sooby的木材解释说,一些覆层材料看起来比锆的中子捕获率更高。这意味着它们浸泡更多的中子,这些中子在裂变链反应中产生和使用。然而,高密度燃料首先产生更多中子,使得这种损失较少。

增加了福利

先进的包层材料还可以提高燃料性能并提供经济效益。例如,戈迪达德说,铬涂料使熔岩更加耐用,减少燃料棒故障和计划外的停机。并且GE声称其新的封端也切断了腐蚀。因此,发电厂可以使燃料棒保持在反应器中的更长,延长燃料循环长度并使它们更有利可图。 GE希望提高燃料性能,结合燃料丰富的略微增加,将减少燃料组件的数量,电厂需求约为10-20%。

GE Research testing its ARMOR and IronClad accident-tolerant fuel rods

最终,这也可以减少燃料浪费。 “如果您的燃料可以在反应堆中,如果您每18个月而不是每12个月重新加载,”Cobb解释“,那么这将减少从反应器中出来的已经低的使用燃料量。 “

然而,有些专家争辩说,追求改进的绩效和经济利益正在转向原始目标的事故威胁。 埃德温莱曼 ,核电安全主任 有关科学家联盟 在美国,虽然事故宽容的想法听起来很好,但他到目前为止对结果感到失望。他补充说,在美国,行业正在远离任何改善安全的借口。 “相反,他们专注于试图通过增加燃烧和燃料的丰富来降低运营成本。”

莱曼说,将应对时间延长几个小时不会对安全产生显着差异 - 研究表明,这些时间框架对核心熔体的可能性相当小。 “我不是说它没有好处,”他补充道,“但这是一个最小的好处。”

美国核工业专注于试图通过增加燃烧和燃料的丰富来降低运营成本。

埃德温莱曼 ,有关科学家联盟

当您尝试从燃料中提取更多能量时,这成为一个真正的问题。通过增加燃烧并将燃料保持在反应器中,您可以增加燃料碎片和相关问题的风险,这可以降低福岛的冷却事故中的安全利润率。 “如果你只是替换了这些铬燃料中的一个并没有尝试增加燃烧,那么你可能会有额外的安全保证金,”莱曼说。 “但如果你将燃烧到燃料可以承受的限制,那么你就没有意识到安全效益。”

GE研究 的John Allen表示,虽然公司将寻求承认这些先进燃料的其他益处,但“安全保证金将增加”。他的同事,工程师Evan Dolley,补充说:“我们的主要目标是提高燃油可靠性和安全性,并提供更多的应对时间。我们从未从中转动。“

与此同时,Heuser认为,研究和核工业已经找到了一种可行的耐受核燃料的可行解决方案。 “我认为未来是核电的光明。我认为它需要成为可再生能源的平衡能源组合的一部分,“他说。 “我们需要远离化石燃料,因为全球气候变化是解决和核电的真正问题,也应该是该解决方案的一部分。”

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