福岛事故和新能源的崛起使核能腹背受敌，只有经过改进，核能技术才有可能在更安全的前提下提供更优质的能源。
撰文/罗德·麦卡勒姆（Rod McCullum）
翻译/张哲
2011年，日本福岛第一核电站出现了严重的事故。为了降低核反应堆在发生事故后造成氢气爆炸，或者辐射性物质泄漏的可能性，工程师正在重新设计铀燃料。全球所有核反应堆几乎都在使用铀燃料。尽管新的设计可能还需进一步完善，但测试工作已经启动。
在反应堆的堆芯，铀原子发生裂变后，会释放中子和热量。反应堆内部和周围的系统都是为了防止堆芯过热，从而引发事故。研究人员现在努力改进核反应堆所用的燃料，希望减少它在高温下熔融或断裂的可能性，这样就不会产生易爆的氢气，也能降低发生意外时放射性物质泄漏的风险。改进核燃料还能提高核电站的发电效率，从而提高自身的竞争力。
在美国，处于运转中的核反应堆共有98个，虽然设计不尽相同，但都使用了圆柱形陶瓷铀块作为燃料，它们与大号橡皮的尺寸相似。芯块会堆叠在由锆合金制成的燃料棒内，而燃料棒则会浸没在水中。在裂变过程中，铀释放出的中子可以轻易穿透锆包壳，进入另一根燃料棒，从而引发链式反应产生热量。释放出的热量会把水加热成蒸汽，蒸汽又会驱动发电机发电。
在很早以前，科学家就把锆用作燃料棒的包壳，因为中子很容易穿透它。之所以这样选择，是因为勘探、开采、处理和浓缩（增加可产生链式反应的原子核的比例）铀的过程不仅复杂还很烧钱。在当时，优化反应堆堆芯从而使能量输出最大化的技术也不怎么成熟，所以科学家很看重中子，不愿意随意损失。但是，就像福岛核电站事故显现的，如果温度过高，锆就会和水（或水蒸气）发生化学反应，产生易爆的氢气。
如今，反应堆设计和操作都更加精细。科学家也发现，铀的储量很丰富，浓缩也很方便，所以损失一些中子是可以接受的。因此，科学家和工程师开始摆脱束缚，研究其他替代方案，尽可能减少氢气，提升设备对温度的耐受能力。
受到福岛核电站事故的影响，核电站制造商与美国能源部合作，迅速展开了容灾性核燃料（accident-tolerant fuels）的研究工作——4种新的燃料方案采用了完全不同的思路。由于新的核燃料基本不需要改变现有核电站的硬件设施，所以很有可能会在未来10年投入使用。
全球有3家重要的核燃料生产企业，分别是法国的法马通公司（Framatome）、美日联盟的通用电气-日立核能公司（GE Hitachi Nuclear Energy）和美国的西屋电气公司（Westinghouse Electric Company）。他们已经在现用的核反应堆上对新技术进行小规模试验了。总体来说，指导思想都是减少锆与水反应生成氢气的可能性，具体措施包括在锆表面涂一层其他材料；把锆封装进核燃料内部；或者干脆彻底替换锆。
作为行业新秀，美国光桥公司（Lightbridge）提出了第4种设计方案，将铀和锆混合，制作成不容易发生反应的合金，就像单簧管一样，这种形状的导热性更好。不过，这种方案提出了新的要求，合金铀浓度的标准必须明显高于现在允许的最高值，因此美国的相关法规还得做出改变才行。
过去几十年，美国核电厂很难获得行政审批，无法使用任何新型核燃料。如今，美国能源部门的管理者又重新开始尝试设计核燃料方案，因为他们感受到了更强的竞争——竞争对手是廉价的天然气以及供应越来越充足的太阳能和风能。在设计和建设核电站方面，美国受惠于当初大力推进的核物理研究，以及基础设施的快速发展，尤其得到了众多国家实验室的帮助。很快，全世界都参与进来。2018年6月，美国和欧盟的科学家在美国爱达荷国家实验室（Idaho National Laboratory）会面，商讨了如何更好地合作。经济合作与发展组织（Organisation for Economic Co-operation and Development）也在建立测试新燃料的框架协议。如果容灾核燃料运行良好，日本的核电站或许也可能因此重生。在日本，人们仍然在争论应该重启多少核反应堆。
当然，前方还有很多困难需要解决。在新型燃料商用之前，需要针对正常情况和意外情况进行大量试验和计算机模拟，从而评估反应堆的性能。在做反应堆堆芯试验时，一般采用小剂量的燃料棒即可。另外，还要说服持怀疑态度的人们，让他们相信新材料的实际工作效果和预想的一样好。现在，更先进的建模技术已经逐步跟进，辅助燃料棒的设计。美国能源部下属的轻水堆先进仿真联盟（Consortium for Advanced Simulation of Light Water Reactors，位于美国田纳西州的橡树岭国家实验室）已经在加快基础研究、工程开发和商业化的步伐了。
如果试验数据具有说服力，美国的燃料供给链——从制造商到反应堆换料平台——都面临更新换代，核电站的工艺流程也需要调整，其中每一步都需要对应监管部门的批准。
重新设计核燃料或许只是更大变化的第一步。科学家和工程师正在设计一种高温气体冷却反应堆（high-temperature gas-cooled reactors），直接使用表面添加涂层的小型铀块，这些形似口香糖的燃料自己就能控制核反应进程，不像现在的反应堆，还需要在燃料棒之间插入控制棒。熔盐反应堆（molten salt reactors）也在开发中，这种反应堆中的核燃料与冷却剂是混合在一起的，很容易就能防止过热。
在过去短短几年间，天然气、太阳能和风能行业有了显著的进步，核能行业或许也该准备迎接新的变革了。
（作者系美国核能研究院负责核电站退役及废燃料业务的高级主管。曾供职于斯通-韦伯斯特工程公司（Stone & Webster engineering firm）、美国能源部和三家核电站。）
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