福島事故和新能源的崛起使核能腹背受敵，只有經過改進，核能技術才有可能在更安全的前提下提供更優質的能源。
撰文/羅德·麥卡勒姆（Rod McCullum）
翻譯/張哲
2011年，日本福島第一核電站出現了嚴重的事故。為了降低核反應堆在發生事故後造成氫氣爆炸，或者輻射性物質洩漏的可能性，工程師正在重新設計鈾燃料。全球所有核反應堆幾乎都在使用鈾燃料。儘管新的設計可能還需進一步完善，但測試工作已經啟動。
在反應堆的堆芯，鈾原子發生裂變後，會釋放中子和熱量。反應堆內部和周圍的系統都是為了防止堆芯過熱，從而引發事故。研究人員現在努力改進核反應堆所用的燃料，希望減少它在高溫下熔融或斷裂的可能性，這樣就不會產生易爆的氫氣，也能降低發生意外時放射性物質洩漏的風險。改進核燃料還能提高核電站的發電效率，從而提高自身的競爭力。
在美國，處於運轉中的核反應堆共有98個，雖然設計不盡相同，但都使用了圓柱形陶瓷鈾塊作為燃料，它們與大號橡皮的尺寸相似。芯塊會堆疊在由鋯合金製成的燃料棒內，而燃料棒則會浸沒在水中。在裂變過程中，鈾釋放出的中子可以輕易穿透鋯包殼，進入另一根燃料棒，從而引發鏈式反應產生熱量。釋放出的熱量會把水加熱成蒸汽，蒸汽又會驅動發電機發電。
在很早以前，科學家就把鋯用作燃料棒的包殼，因為中子很容易穿透它。之所以這樣選擇，是因為勘探、開採、處理和濃縮（增加可產生鏈式反應的原子核的比例）鈾的過程不僅複雜還很燒錢。在當時，優化反應堆堆芯從而使能量輸出最大化的技術也不怎麼成熟，所以科學家很看重中子，不願意隨意損失。但是，就像福島核電站事故顯現的，如果溫度過高，鋯就會和水（或水蒸氣）發生化學反應，產生易爆的氫氣。
如今，反應堆設計和操作都更加精細。科學家也發現，鈾的儲量很豐富，濃縮也很方便，所以損失一些中子是可以接受的。因此，科學家和工程師開始擺脫束縛，研究其他替代方案，儘可能減少氫氣，提升設備對溫度的耐受能力。
受到福島核電站事故的影響，核電站製造商與美國能源部合作，迅速展開了容災性核燃料（accident-tolerant fuels）的研究工作——4種新的燃料方案採用了完全不同的思路。由於新的核燃料基本不需要改變現有核電站的硬件設施，所以很有可能會在未來10年投入使用。
全球有3家重要的核燃料生產企業，分別是法國的法馬通公司（Framatome）、美日聯盟的通用電氣-日立核能公司（GE Hitachi Nuclear Energy）和美國的西屋電氣公司（Westinghouse Electric Company）。他們已經在現用的核反應堆上對新技術進行小規模試驗了。總體來說，指導思想都是減少鋯與水反應生成氫氣的可能性，具體措施包括在鋯表面塗一層其他材料；把鋯封裝進核燃料內部；或者乾脆徹底替換鋯。
作為行業新秀，美國光橋公司（Lightbridge）提出了第4種設計方案，將鈾和鋯混合，製作成不容易發生反應的合金，就像單簧管一樣，這種形狀的導熱性更好。不過，這種方案提出了新的要求，合金鈾濃度的標準必須明顯高於現在允許的最高值，因此美國的相關法規還得做出改變才行。
過去幾十年，美國核電廠很難獲得行政審批，無法使用任何新型核燃料。如今，美國能源部門的管理者又重新開始嘗試設計核燃料方案，因為他們感受到了更強的競爭——競爭對手是廉價的天然氣以及供應越來越充足的太陽能和風能。在設計和建設核電站方面，美國受惠於當初大力推進的核物理研究，以及基礎設施的快速發展，尤其得到了眾多國家實驗室的幫助。很快，全世界都參與進來。2018年6月，美國和歐盟的科學家在美國愛達荷國家實驗室（Idaho National Laboratory）會面，商討了如何更好地合作。經濟合作與發展組織（Organisation for Economic Co-operation and Development）也在建立測試新燃料的框架協議。如果容災核燃料運行良好，日本的核電站或許也可能因此重生。在日本，人們仍然在爭論應該重啟多少核反應堆。
當然，前方還有很多困難需要解決。在新型燃料商用之前，需要針對正常情況和意外情況進行大量試驗和計算機模擬，從而評估反應堆的性能。在做反應堆堆芯試驗時，一般採用小劑量的燃料棒即可。另外，還要說服持懷疑態度的人們，讓他們相信新材料的實際工作效果和預想的一樣好。現在，更先進的建模技術已經逐步跟進，輔助燃料棒的設計。美國能源部下屬的輕水堆先進仿真聯盟（Consortium for Advanced Simulation of Light Water Reactors，位於美國田納西州的橡樹嶺國家實驗室）已經在加快基礎研究、工程開發和商業化的步伐了。
如果試驗數據具有說服力，美國的燃料供給鏈——從製造商到反應堆換料平臺——都面臨更新換代，核電站的工藝流程也需要調整，其中每一步都需要對應監管部門的批准。
重新設計核燃料或許只是更大變化的第一步。科學家和工程師正在設計一種高溫氣體冷卻反應堆（high-temperature gas-cooled reactors），直接使用表面添加塗層的小型鈾塊，這些形似口香糖的燃料自己就能控制核反應進程，不像現在的反應堆，還需要在燃料棒之間插入控制棒。熔鹽反應堆（molten salt reactors）也在開發中，這種反應堆中的核燃料與冷卻劑是混合在一起的，很容易就能防止過熱。
在過去短短几年間，天然氣、太陽能和風能行業有了顯著的進步，核能行業或許也該準備迎接新的變革了。
（作者系美國核能研究院負責核電站退役及廢燃料業務的高級主管。曾供職於斯通-韋伯斯特工程公司（Stone & Webster engineering firm）、美國能源部和三家核電站。）
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