6月23～24日，“2016事故容错燃料技术国际研讨会”在深圳举行。“事故容错燃料”这一新提法听起来很拗口，但被视为近50年来核燃料领域的一次重大技术革命，是未来核燃料领域的投资和研发重点。我国和其他核能大国当下已纷纷就事故容错燃料进行布局，以抢占未来核燃料的话语权。国家环保部核与辐射安全中心，是国家科技重大专项“事故容错燃料关键技术研究”课题的联合申报单位之一。作为一项备受器重的新技术，事故容错燃料能给核与辐射安全带来多少贡献值呢？
核反应堆中包含上百根燃料棒
我国新燃料研究有进展
事故容错燃料（Accident Tolerant Fuel，简称ATF），是为提高燃料元件抵御严重事故能力而开发的新一代燃料系统。与现有核燃料相比，这种新型燃料系统能够在较长时间内抵抗严重事故工况，同时保持或提高其在正常运行工况下的性能。事故容错燃料的材料特性，能延缓事态恶化的速度，为人们采取应急措施争取到更多宝贵时间，大大降低放射性原料突破安全屏障泄漏到环境中的风险。“容错”一词由此得来。
中广核研究院院长庞松涛在会上介绍，中国的《能源技术革命创新行动计划2016～2030》与《能源技术革命重点创新行动路线图》中，明确了事故容错燃料研发任务，设立了重大科研专项，由中广核牵头，联合国家电投、中科院、中国工程物理研究院等业内主要企事业单位，以及清华大学、西安交通大学等高校，组织起一支国家级研发团队和产业联盟，拟在10～15年内为该项目投入企业自有资金超过20亿元人民币，确保项目成功。
碳化硅做成的燃料包壳结构示意图
燃料系统是核安全第一关
在核电站中，核燃料这个概念既可以指裂变供能的燃料本身（铀-235），也可以指由燃料材料、结构材料、中子慢化剂等组成的燃料系统。如核电站压水反应堆采用的燃料形式，是铀混合物粉末烧结成的二氧化铀陶瓷芯块（燃料块），这种燃料块能把90%以上的放射性裂变产物滞留在其中，是核电站的第一道安全屏障。
几百个燃料块排成一列纵队，被密封在直径比燃料块稍大、长约三四米的锆合金套管内（也叫燃料包壳），构成燃料棒，再组成燃料组件。上百个这样的燃料组件就形成了一个核反应堆的堆芯。在核电站中，燃料包壳肩负着阻止裂变产物外泄、隔离燃料块和冷却水（避免二者发生反应）、把裂变产生的热能传出去等功能，是核电站的第二道安全屏障。
事故容错燃料的革新，就发生在这两个环节。
核反应堆所用的燃料，由一个个长度和直径均为一厘米左右的二氧化铀陶瓷芯块组成。
福岛核电站是被“热死”的
锆合金之所以当选燃料包壳的材料，是因为它具有中子吸收截面小、热导率高、低温耐水腐蚀性高等优点。然而在日本福岛核事故中，它却因为扛不住巨量的“衰变热”，成为核电机组爆炸的推手。
不同于家里即关即停的电磁炉、热得快等电加热设备，核反应堆即使停止运行后，由于裂变产物的衰变，仍会在很长一段时间内持续发出相当于发电功率百分之几的余热，这就是衰变热。这个比例虽然不起眼，但热能的量级还是很可观的。由于核电站断电后燃料棒和冷却水无法循环换热，如不及时冷却反应堆，燃料棒就会在衰变热的作用下不断升温。超过1200摄氏度后，燃料棒中的金属锆就会和水/水蒸气发生氧化反应，造成燃料包壳失效，产生大量氢气。一旦高温高压的氢气遇到氧气，就会与它结合成水，并伴随着剧烈的“爱之火花”——爆炸。福岛核电站的爆炸就是这么来的。
因这一事故的警示，世界核工业界和科学界意识到，有必要对核燃料包壳材料的安全性提出新的要求，特别是防止反应堆因缺乏冷却而过热，于是提出了事故容错燃料的研究方向，希望研制出一种更能扛得住事故、显著降低堆芯熔毁概率、避免或延缓氢气产生和放射性物质泄漏的燃料系统，替代现役的二氧化铀-锆合金燃料系统。
新燃料研发 十年磨一剑
其实，事故容错燃料的研究并非后福岛时代才开始的。美国西屋电气公司早在2004年就启动了事故容错燃料项目。
美国能源部指出，事故容错燃料需要做到以下几点：
① 给核电运营者更多“处理时间”来应对事故状况；
② 能够在2022年之前实现商用；
③ 继续使用且不影响原本的铀燃料循环；
④ 商业运营可行。
美国能源部为事故容错燃料的研发制定了可行性研究（2012～2015）、开发与资格认证（2016～2021）和商用（2022）3个阶段。
第一阶段的工作是试水，包括建模、制造小比例设备原型、辐照测试、蒸汽反应测试、机械性能测试、熔炉测试等等，说白了就是用个实验室级规模的小组件试水，然后评估它的经济性、安全性，及对运行动态、核燃料循环和环境等方面的影响。
第二阶段主要是挑选燃料棒的材料，再对工业级规模的试验反应堆进行瞬态辐射测试、铅组件测试等一系列复杂测试，并且拿下相应的“学历”和资质。由于专业性太强，这些测试就不展开介绍了。
第三阶段自然就是要拿出万事俱备的成品在正规商用核电站服役。10年光阴是否能磨出一柄好剑，就看这最后一哆嗦了。
燃料芯块的组装过程
“容错”难在“少吃多跑”
当核电站冷却系统因事故趴窝后，新型燃料系统的燃料包壳能否在较长时间内撑住衰变热带来的高温，以及燃料块对裂变产物的滞留能力能否进一步提升，是研发和设计的首要目标。同时，新型燃料系统还必须很好地兼容现役的核燃料生产设备等，以保证商用核电站有足够的经济性和可靠性。这无异于是让马儿既要跑得快又要吃得少，对事故容错燃料的设计和选择是个不小的挑战，因此也吸引了各核能大国纷纷就事故容错燃料进行布局，以抢占未来核燃料的话语权。
美国、法国、韩国、日本等国家的核能机构，都已经把事故容错燃料作为下一步重点发展方向。可以说，这种高安全性技术已在国际核能界业掀起一股科技研发热潮。
采用事故容错燃料技术的燃料棒结构示意图
锆合金“接班人”更耐高温
选择性能更优越的材料，是开发事故容错燃料的关键。美国橡树岭和洛斯阿拉莫斯国家实验室发现，铁铬铝合金和钼合金是两种耐高温、耐氧化和耐腐蚀性能出色的金属合金，其中金属钼有着高达2600摄氏度的熔点，属于难熔金属，而且高温下仍有很高的强度和抗蠕变（固体材料在恒定受力下变形程度随时间增加的现象）性，低温时又有良好的延展性，若用作燃料包壳的涂层，可以增强燃料棒在高温下的抗氧化性能。
美国西屋电气公司则青睐“碳化硅复合陶瓷”作为燃料包壳的防护涂层。碳化硅是目前硬度仅次于金刚石的材料，它化学性质稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性好。西屋公司的项目工程师艾德说，这种材料的加盟，有望把燃料棒的耐热能力提升到1800摄氏度。同样可以改进的还有高密度燃料芯块，比如铀硅化物和一氮化铀，这两种新材料的导热率比目前所用的二氧化铀分别提升了5倍和10倍，铀-235的含量则分别提升了17%和35%，这就能在不降低发电功率的情况下，减少燃料用量和体积，燃料芯块在冷却系统失灵时也不容易聚集热量，安全性和经济性都得到改善。
我国“华龙一号”有望最先应用
事物的发展都有一个从无到有、从弱到强的过程。几十年前的汽车连转向灯和安全带都没有，而今天，就算用安全气囊把人裹成一个茧也不足为奇。核电站也是如此，60多年来，核电站的安全性能节节拔高。而事故容错燃料，将是核与辐射安全提升的重大新成果。据透露，我国事故容错燃料研制过程中的各项成果，可直接应用于我国自主研发的第三代核电技术“华龙一号”的改进上，最终实现中国自己的新型燃料系统，使中国的事故容错燃料技术走在世界核能技术潮流的前沿。
美国工程院院士史蒂芬·津克尔教授指出，作为当代和下一代核反应堆设计的重要部分，事故容错燃料正深刻影响核能科技的发展方向，是核安全“游戏规则”的改变者。
（本文在撰写过程中参考了维基百科英文网、中国核网、中国广核集团网站、美国能源部、美国西屋公司等网站的相关资料，特此声明并致谢。）