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核燃料循环+废物处理

2 新一代事故容错燃料 ATF

2.1 背景

      福岛核事故后,加强核电站的安全性和对严重事故的预防和缓解成为关注的
重点。美国于 2012 年提出了针对轻水堆燃料和包壳优先考虑在事故下提高安全
性的要求,提出了抗事故燃料(事故容错燃料,ATF)概念。美国能源部提出了 ATF
的研发计划,目标是在 2020 年左右开始进行 ATF 燃料的反应堆试验和应用。

      由于现有 UO2-Zr 核燃料体系在抵抗严重事故性能方面的不足,ATF 包壳材料
的发展方向集中在高温下与水蒸气的友好型。目前主要的候选包壳材料有:先进
不锈钢(FeCrAl)、难熔金属(Mo)、陶瓷包壳材料(SiC)、MAX 相新型合金、锆合金涂
层或套管。而 ATF 芯块的发展方向集中在包容裂变气体能力、高热导率,抗肿胀能
力、与水不发生反应等方面,目前主要的候选燃料芯块材料有:增强型 UO2 芯块,
FCM 燃料、UN 燃料、U-Mo 燃料等[8]。

2.2 ATF 包壳

      各国对 ATF 包壳材料的研究集中在锆合金涂层和替代材料上。

2.2.1 锆合金涂层
      目前在研究的涂层包括金属涂层(Cr 等)、化合物涂层(ZrSi、TiAlN、TiN、TiO2

等)、MAX 相涂层(Ti2AlC,Zr2AlC 等)、SiC 涂层。在锆合金表面覆层方面,美国在涂
层材料选择、涂层工艺研究、涂层与基体材料的相容性、涂层的堆外性能检测等方
面开展了一些研究工作,制造出了部分涂层样品,开展了部分性能检测,取得了相
当的进展。

      但已从目前的研究成果看,锆合金涂层管材要应用于 ATF,还有以下诸多问题
待研究,如涂层的材料选择及制造工艺、涂层的稳定性,辐照数据等。

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