11月26日，國際首次環形燃料元件零功率物理實驗在中核集團中國原子能科學研究院(以下簡稱原子能院)核臨界安全中心完成，標志著我國壓水堆環形燃料研究進入工程化實驗驗證階段。

同時提升核電經濟性和安全性

燃料元件被稱為反應堆的“心臟”。長期以來，科研人員試圖通過材料革新來延長“心臟”的壽命。與關注材料研究的方向不同，環形燃料主要通過改變結構形式提升燃料元件的整體性能，從而同時提升核電的經濟性和安全性。

“環形燃料是一種結構上完全革新的先進燃料元件。”原子能院堆工部主任楊紅義告訴《中國科學報》，環形燃料是將燃料芯塊制成環狀，在芯塊內、外表面加裝包殼管，使得冷卻劑可以從內、外兩個流道同時對元件進行冷卻，增加了傳熱面積，提高了換熱效率。

與現有壓水堆相比，保持堆芯輸出功率不變情況下，采用環形燃料組件芯塊和包殼的峰值溫度更低，將顯著提升堆芯的安全性;若維持現有的安全裕度不變，堆芯輸出功率可以提升20%~50%，從而大幅提高核電的經濟性。

由于環形燃料經濟性和安全性的明顯優勢，美、韓等國相繼開展了環形燃料的研發。只是，它們都因為種種原因而未能按計劃推進。

十年磨一劍

我國環形燃料的研發始于2008年。作為總體技術單位，原子能院制定了壓水堆環形燃料組件研發的技術路線圖，并負責環形堆芯設計、組件設計及堆內外性能試驗驗證;中核北方核燃料元件有限公司(簡稱中核北方)負責環形燃料組件制造、組裝和檢測工藝研究，上海交大、哈爾濱工大等高校參與了環形燃料組件的研發。

目前，原子能院已初步完成了先導組件考驗堆芯以及先導組件的設計;聯合中核北方掌握了環形燃料組件制造、組裝和檢測工藝，研制出多套關鍵結構試驗部件，環形燃料全尺寸試驗組件完成交付;成功實現環形燃料小組件在49-2堆的輻照考驗，累積考驗6個輻照周期。

“環形燃料從未在堆內應用，并且其堆芯物理計算分析方法與棒狀燃料存在顯著差別，原有堆芯物理計算程序需要驗證。”原子能院堆工部副主任季松濤說，“國內和國際都只做了程序與程序之間的對比驗證，其有效性和可靠性不能得到充分驗證。”

環形燃料零功率物理實驗數據還將為計算程序檢驗提供最直接證明。季松濤告訴記者，環形燃料零功率實驗采用96根環形燃料元件與136根棒狀燃料元件構建混合裝載堆芯，將陸續開展臨界參數測量、功率分布測量、等溫溫度效應等一系列臨界實驗研究。

只是第一步

10年自主研發，環形燃料組件的整體研發已進入先導組件入堆前的關鍵技術攻關階段。

“目前研發工作進展順利，未出現不可逾越的難題。但環形燃料在結構上完全革新，須不斷解決研發中出現的關鍵技術問題，夯實基礎。”季松濤說。

后續，研發團隊將開展環形燃料先導組件入堆設計，環形燃料、棒狀燃料混合裝載堆芯物理分析，百萬千瓦級環形燃料堆芯設計，環形燃料模塊化小堆堆芯設計，低溫供熱、海洋核動力等特殊用途環形燃料堆芯設計，環形燃料其他工程應用的模擬實驗研究等。

在中國工程院院士徐銤看來，作為一種結構上完全革新的先進燃料元件，環形燃料已成為壓水堆先進燃料組件的重要發展趨勢之一，但“最終還是要看應用得怎么樣”。

對此，楊紅義表示，當前研發的環形燃料組件所有結構部件均為自主設計和制造，全部技術完全自主可控，制造及后處理工藝與現有燃料循環體系完全相容，因此，該燃料組件具有較高的工業技術成熟度，易于快速實現產業化。

他表示，未來的將瞄準基于環形燃料組件的先進壓水堆發展方向，開展新一代壓水堆環形燃料堆芯的方案設計，以期早日建成世界領先水平的先進環形燃料壓水堆。

“靠燃料自主研發和技術提升來牽引堆型的發展，這種核電發展的轉變也是一種創新。”徐銤說。