俄大力推进核燃料研究

为了提高核电厂运行安全水平，加强核电的经济竞争力，俄罗斯核燃料产供集团一直积极开展核燃料研究，不仅持续推动传统核燃料的技术进步，还在大力推进新型核燃料的商业化应用，包括供轻水堆使用的耐事故燃料(ATF)和再生混合物(REMIX)燃料以及供快堆使用的混合氧化物(MOX)燃料和混合氮化物(MNUP)燃料。

传统核燃料

对于VVER-1000机组，产供集团已推出第四代燃料产品。第四代燃料组件在确保核电机组继续保持高安全水平运行的同时，能够显著提高机组运行的经济性，燃料成本在总发电成本所占比例将降低2%～4%。欧洲多国的VVER机组已装入第四代燃料组件。2018年，保加利亚科兹洛杜伊核电厂装入第三批TVSA-12燃料，捷克泰梅林电厂装入首批TVSA-T二型燃料。

产供集团还准备推出铀-235丰度超过5%的燃料(目前燃料中铀-235丰度最高为4.85%)，以便将核电机组换料周期延长至24个月。目前，俄已将所有VVER-1000机组换料周期从12个月延长至18个月，与VVER-1200的换料周期相同。

2020年6月，俄启动第三代VVER-440核燃料即RK3+型燃料的测试工作。这项工作是根据产供集团与捷克能源集团2019年签署的燃料供应合同开展的。俄科拉4号机组自2010年以来一直在使用RK3+原型燃料。相对于前几代VVER-440燃料，RK3+拥有更好的物理和热工水力性能以及更长的燃料棒间距，可以优化堆芯的水-铀比，提高燃料效率。因此运营商能够延长机组的换料周期。

为了进入西方设计压水堆的燃料市场，俄利用在VVER燃料研发和生产过程中积累的经验，研发了TVS-K燃料。这种燃料能够将核电机组换料周期延长至5年，实现更高的燃耗(70 MWd/kgU)，并具有很高的运行安全性和可靠性。2014年春季，首批测试燃料组件装入瑞典灵哈尔斯3号机组堆芯，接受辐照测试。2016年5月，产供集团、通用电气-日立公司和环球核燃料美洲公司组建联合体，准备合作向美国压水堆运营商推广TVS-K。2016年7月，俄产供集团与一家美国核电运营商签署在美国压水堆试验性辐照TVS-K的首份合同。产供集团2016年12月宣布与瑞典瓦腾福公司(Vattenfall)签署向灵哈尔斯核电厂供应TVS-K的合同。这是首份TVS-K商业供应合同。首批TVS-K将于2021年交付。

耐事故燃料

产供集团正在研发四种能够显著提高现有核电机组运行安全水平的ATF方案。第一种是使用带有铬基耐热涂层的包壳。涂层能够防止锆与一回路中的冷却剂接触，从而减少严重事故时产生的氢气量。第二种是使用铬镍合金包壳。虽然这种合金的中子俘获截面大于锆，但其机械特性意味着包壳的厚度可以减小。第三种是使用铀钼合金燃料，提高铀密度和导热性。第四种是采用复合材料制造包壳，包括拥有较小中子俘获截面的碳化硅材料。

2019年，核反应堆研究所完成了首批2个ATF试验组件的反应堆辐照测试。这2个组件由新西伯利亚化学浓缩厂制造，含有2种燃料芯块和2种包壳：燃料芯块分别是传统二氧化铀芯块和铀钼合金芯块；包壳分别是带铬涂层的锆合金包壳和铬镍合金包壳。这些芯块和包壳组成了4种燃料棒。每个燃料组件包含24根具有不同材料组合的燃料棒，可用于俄VVER反应堆和西方压水堆。这些燃料组件2019年1月装入MIR研究堆，在“尽可能接近”商业压水堆机组运行状态的条件下进行测试。在完成首个辐照循环后，将2个组件从反应堆中移出。检查没有发现燃料棒几何形状发生改变，包壳表面也没有受损。从中已抽取几根燃料棒，开展进一步辐照后检查。相关结果将被用于确定最佳的材料组合。此外，还将多个未辐照样本装入燃料组件，继续在MIR进行辐照测试。

产供集团计划于2020年利用商业核电机组对ATF燃料进行辐照测试。首批拟用于VVER-1000机组的ATF料组件已于2019年12月通过验收测试。罗斯托夫核电厂的一台机组将于2020年装入3个ATF组件。每个组件含有12根燃料元件，使用了两种包壳：一种是带铬涂层的锆合金包壳，另一种是铬镍合金包壳。

再生混合物燃料

俄罗斯正在开发一种新的热堆闭式燃料循环概念：REMIX燃料循环。这种燃料由回收铀钚混合物(即通过乏燃料后处理获得的铀钚混合物)和浓缩铀(铀-235丰度最高为17%)制成，钚-239含量约为1%，铀-235含量约为4%，中子谱与传统轻水堆浓缩铀燃料差别不大，因此堆芯中燃料组件的行为以及因铀增殖产生的钚数量与传统轻水堆燃料类似。这意味着核电运营商不需要对反应堆设计进行任何修改，也不需要采取额外安全措施，即可在反应堆中使用REMIX燃料。

REMIX燃料的换料周期为4年，燃耗为50 GWd/t。在REMIX乏燃料中，钚-239含量约为2%，铀-235含量约为1%。在水池中冷却5年后，可以对REMIX乏燃料进行后处理，以对有用材料进行循环利用，对裂变产物和次锕系元素等废物进行玻璃固化，然后贮存起来等待地质处置。可以在现有的VVER-1000反应堆中对REMIX燃料进行全堆芯的循环使用，最多循环5次。因此，从理论上说，一座寿期为60年的反应堆只需要三批燃料装料——仅需在每次循环过程中补充低浓铀并转移废物。相对于开放式燃料循环，REMIX燃料每循环一次可降低约20%的天然铀需求。

2016年9月至2017年3月，在核反应堆研究所的研究堆对REMIX燃料进行了辐照测试，获得了关于燃料元件运行参数的初始试验数据。

3个含有REMIX实验燃料棒的TVS-2M燃料组件自2016年开始在巴拉科沃3号机组中接受辐照。2020年启动了第三个换料周期(为期18个月)的辐照测试。2021年，这些燃料棒将从堆芯卸载，然后在水池中冷却1年半，于2023年运至核反应堆研究所，供开展进一步研究。

图1 REMIX燃料循环示意图

俄罗斯国家原子能集团公司投资委员会2020年8月批准了西伯利亚化学联合体燃料生产线升级改造项目。此次升级改造将使该联合体能够制造供VVER-1000反应堆使用的REMIX燃料。但铀钚燃料芯块由位于热列兹诺戈尔斯克的矿业与化学联合体制造。

混合氧化物燃料

俄MOX计划于2000年启动。当年，俄罗斯和美国签署《钚管理与处置协定》，将各自处置34吨过剩武器级钚。拟采用的处置方式均是将这些钚制成MOX燃料，但美拟将这些燃料用于热堆商业机组，而俄拟用于快堆机组。当时预计西方国家将向俄转让相关技术并提供资助，但实际上，俄在西方国家未提供任何帮助的情况下独立推进MOX燃料的研发。

当美国2018年决定取消其MOX计划时(详见本刊2018年第11期相关报道)，俄MOX燃料研发工作已取得良好进展。2011年，俄通过了旨在建立快堆闭式燃料循环的长期发展战略。此后，为MOX燃料制造拨付了大量资金。

MOX燃料制造厂位于热列兹诺戈尔斯克矿业与化学联合体，在地下200米深的矿井中，2014年底全面投入运行，2015年完成了首个组件的相关试验，2018年启动批量制造，2020年8月获得核监管机构颁发的5年全面运行许可证，能够全面启动MOX燃料的批量制造。此前，该厂根据有效期同样为5年的试运行许可证开展燃料制造工作。MOX燃料芯块的基础制造工艺由Bochvar无机材料研究所研发，使用的原料是贫铀和钚。

在换装了首批由MOX燃料厂批量制造的MOX燃料后，俄唯一的BN-800型钠冷快堆即别洛雅尔斯克4号机组2020年1月重新投入运行。最初投运时，这台机组装填了由铀燃料和MOX燃料组成的混合堆芯。其中MOX燃料由核反应堆研究所制造。

产供集团2020年7月宣布，已为别洛雅尔斯克4号机组制造整个堆芯换装所需的MOX燃料。这批燃料将于2020年底运至别洛雅尔斯克核电厂，2021年1月开始换料。

混合氮化物燃料

相对于传统核燃料，MNUP燃料拥有许多优点，包括更高的密度、更强的导热性以及与液态金属冷却剂的更好相容性。此外，MNUP燃料的增殖比为1.4，高于MOX燃料的1.2。这意味着相对于MOX燃料，MNUP燃料能将更多的铀-238增殖为钚-239。俄正在为BREST-300铅冷快堆以及其他快堆研发MNUP燃料，已成功研发利用氧化物粉末制造MNUP燃料的技术，并在实验室规模测试了利用回收铀钚氧化物制造MNUP燃料的技术。

从2015年4月开始，俄利用别洛雅尔斯克3号机组(BN-600钠冷快堆)对MNUP燃料进行辐照测试。西伯利亚化学联合体2016年12月宣布，已成功完成对MNUP燃料的辐照后检测，确认MNUP燃料对BREST铅冷快堆的适用性。俄原集团2020年6月宣布，反应堆辐照测试已经证实MNUP燃料的安全性；辐照测试进展顺利，已有1000多根燃料棒接受辐照，没有出现降压情况，证明燃料元件外壳的完整性得到保持；“原则上，我们准备证明MNUP燃料可适用于任何快堆。”

MNUP燃料研发和制造是旨在实现闭式核燃料循环的“突破”计划的重要组成部分。根据“突破”计划，俄原集团正在西伯利亚化学联合体建设一个中间示范电力综合体(PDPC)，包括一个MNUP燃料制造/再加工模块、一座BREST铅冷快堆和一个乏燃料后处理模块。燃料制造模块2014年8月启动建设。根据最初的计划，燃料制造模块、反应堆和后处理模块应分别于2018年、2020年和2022年建成。根据俄原集团最新公布的信息，上述三个模块的建成日期已分别推后至2021年、2026年和2028年。

在“突破”计划中，俄还计划将从乏燃料中提取的次锕系元素纳入燃料基体。Bochvar无机材料研究所2019年8月宣布已成功研发一种实验性高压电脉冲压缩装置，可用于制造含有次锕系元素的MNUP燃料芯块。这一装置可大幅简化芯块制造过程，其主要优点是能够同时高速进行压制和烧结操作，在脉冲性放电和压力的作用下，能够获得给定密度和几何尺寸的燃料芯块。这项技术可以大幅减小生产空间，降低能耗，并简化远程操作。

次锕系元素氮化物的热化学稳定性较低，如果采用现有的MNUP燃料芯块制造工艺(加压和高温烧结)，它们会在芯块制造过程中蒸发。

小结

为了提升核电厂运行经济性和安全性，俄罗斯持续推进传统核燃料研究，迄今已推出四代VVER-1000燃料和三代VVER-440燃料。俄还专门研发了适用于西方压水堆的燃料，并成功进入西方压水堆燃料市场。

俄积极开展新型核燃料研究，并不断取得成果：ATF燃料已完成研究堆辐照测试，即将在商业机组中接受考验；REMIX燃料已在研究堆和商业机组中接受辐照测试，即将商业化生产；MOX燃料已投入实际应用，BN-800机组即将实现全堆芯MOX燃料运行；MNUP燃料的反应堆辐照测试工作也进展顺利。