国内的ATF 燃料研发计划始于2013 年,该计划将实现ATF 在压水堆、模块化小型堆和未来先进反应堆的应用。该计划计划于2019 年实现ATF 燃料的中试生产,2024 年实现压水堆LTR/LTA 入堆,2026 年实现ATF 燃料批量生产和模块化小堆LTR/LTA 入堆,2028 至2035 年完成用于未来先进反应堆的ATF 燃料的最终设计。
2.1.2 ATF 芯块研发现状
在ATF 芯块研发方面,从公开资料看,目前中国工程物理研究院已开展研究的包括改进型UO2 芯块(大晶粒、高热导)、FCM 燃料及TRISO 颗粒、高铀密度(U-Mo、U-Zr)燃料在内的多种ATF 芯块,开发了多孔的U-Mo、U-Zr 合金燃料,相比UO2 芯块显著改善了热导率、机械性能以及对裂变气体的容纳能力。中核北方开展了UO2-BeO 高热导芯块研制,研究结果表明,在BeO 添加量在3%时,芯块的热导率提升就超过了1 倍,芯块其他性能与单纯的UO2 芯块基本一致。韩国提出了Microcell 芯块(金属微囊芯块),并开展了性能验证。清华大学在不断改进TRISO 颗粒及其制备技术,其目的是在水堆燃料上加以应用。
2.1.3 ATF 包壳研发现状
在ATF 包壳研发方面,改进型锆合金包壳、新型金属包壳和复合陶瓷包壳的研究都在进行中。中广核集团针对SiC/SiC复合材料包壳和MAX 相包壳已提出了多种技术方案,并已开展相关制备工艺和性能检测技术开发;美国ORNL 指出并提出相应的解决方案,相关中子辐照试验计划于2016 年年底开展。但总体认为,改进型锆合金包壳和新型金属包壳由于具备技术经济优越性有望在近期得到应用,陶瓷基材料性能优越,依然是未来的理想包壳材料。
2.2 目前存在的问题
淤ATF 燃料研发的概念清晰,方向明确,但研究目标模糊,即“有方向、没目标”;
ATF 燃料研发的时间路线清晰,但技术路线模糊,对技术路线有所回避;
ATF 燃料的应用目标有所动摇。
3 关于ATF 燃料研究后续工作的一些想法
ATF 燃料的应用目标是商用水堆,这一根本目标不能动摇,这是研发工作开展的前提和基础。
从ATF 燃料的概念入手,制定研发目标和评价标准。
围绕ATF 燃料的概念和应用目标,将材料预研和燃料的工程化(产业化)研究相结合,制定ATF 燃料研发的技术和应用路线图,要准确判断各种技术路线的成熟程度,在技术和应用路线图的制定上要有清晰的思路。
ATF 燃料的本质是解决储能问题,其终极解决途径(也就是ATF 燃料研发的终极目标)是在燃料材料学上的巨大突破。但能同时满足所有要求的材料很难选择,因此,这一突破不可能在短时间内完成。因此,要想使ATF 燃料以最快的速度在商业堆上得到应用,ATF 燃料的研究重点就不能局限在燃料材料的研发上,要在燃料的结构形式改进和综合性能提升上多想办法。就这一问题,有如下建议。
首先,材料、结构、性能、与现有商用堆相容性和UO2-Zr燃料一致的燃料应作为ATF 燃料的首选,并作为ATF 燃料研发的近期目标,其目标是尽快实现工程化。