事故容错燃料关键测试启动

在Idaho美国国家实验室的热燃料检验设施中，密闭箱操作员Jake Maupin将一个机械臂移动到铅笔般细的核燃料棒周围。他正在为一项程序做准备，他和同事们为这一刻在热室中反复练习过。

Maupin没有直接夹住燃料棒，而是将爪状钳在距离燃料棒几毫米处移动并悬停在那里。另一名操作员Rob Cox用低速金刚石锯切割燃料棒。就在Cox完成切割的瞬间，燃料棒的一段掉落下来，Maupin用机械钳在半空中抓住了它。

"接得好，"Cox说。

在接下来的几个月里，Cox、Maupin和他们的同事们将重复这一操作数十次，为辐照后检验和试验准备下一代燃料棒——这些燃料棒由西屋电气设计和制造，并在商业反应堆中辐照。

工程师们设计的这种燃料具有事故耐受性并能实现高燃耗。

事故耐受特性在正常运行、功率尖峰和反应堆事故期间提供改进的安全性能。这些相同的特性可以使燃料棒实现更高的燃耗（例如，增加燃料芯块中可裂变铀-235的利用率），这可能会增加电站的电力输出并延长运行周期——可以理解为增加马力和更好的燃料经济性。

风险很高。这些事故耐受燃料（ATFs）最终可能为整个美国反应堆舰队提供动力。

这些技术共同作用，每年可为电力用户节省数百万美元，同时提高核电站在潜在（尽管极不可能）事故条件下的韧性。

但首先，行业和美国核管会需要数TB的数据来了解这些燃料的性能。INL是世界上少数几个拥有能力和专家来量化核燃料在正常运行和事故条件下行为的场所之一。

对于参与试验的众多INL专家来说，有机会对高燃耗燃料和ATFs进行全面测试是一生难得的机会。经过多年的准备，这些试验终于开始了。

关于西屋电气向INL运送燃料的讨论大约始于十年前，但这些燃料棒的真正历史始于2011年东北地震及随后的海啸之后。这些联合事件摧毁了日本海岸线，并严重损坏了福岛第一核电站的几座反应堆。四座反应堆中的三座的电站电源和冷却系统被禁用，最终导致严重的堆芯损坏和放射性物质释放。如果应急人员有更多时间清理冲上来的碎片以提供应急电力或额外的冷却水，这一结果本可以避免。

ATFs可以在异常运行条件下为电站操作员提供这种增加的安全裕度，并且在事故期间，可以提供额外的时间来实施安全措施。

ATFs的一个额外好处是它们可以为反应堆提供更长时间的电力，这一特性被称为高燃耗。这一特性是核工业为驱动现代经济提供必要能源的即时解决方案，特别是人工智能应用驱动的数据中心的新兴需求。这种燃料被设计为在传统的轻水反应堆内产生更多能量，燃烧更长时间。

为了满足这两个需求，西屋电气是与美国能源部签订合作协议开发具有事故耐受和高燃耗特性燃料的几家公司之一。在INL进行了三轮辐照试验后，西屋电气的燃料于2019年被插入商业反应堆。

Oak Ridge美国国家实验室于2021年收到了一批西屋电气燃料，在其严重事故试验站进行检验和试验，而INL于2023年12月收到了第一批燃料。

INL热燃料检验设施的操作员将燃料棒切割成更小的段进行分析。（照片：INL）

一面镜子让INL热燃料检验设施的操作员首次看到装有辐照燃料棒的篮子的顶部。（照片：INL）

在INL热燃料检验设施四英尺厚的多层窗户屏蔽下，操作员依靠高低技术混合的奇特组合来执行燃料的无损和破坏性检验，并为其辐照试验做准备。除了激光和伽马能谱仪，墙上还挂着一排开口扳手。

在Cox和Maupin用他们的金刚石锯对燃料棒进行精细切割之前，操作员使用普通的管道切割器——水管工可能使用的那种——进行粗切割。切割位置使用用胶带包裹的Sharpie标记，这使得标记笔更容易用爪状远程机械手抓握。

对已经在商业反应堆中承受了54个月中子损伤的燃料棒进行彻底检验，建立基准数据。这些数据将帮助研究人员更好地了解下一代燃料在反应堆事故中可能的行为。

"我们进行广泛的无损检验，以便在开始破坏性检验之前收集尽可能多的信息，"西屋电气燃料辐照后检验的首席研究员Aaron Colldeweih说。"我们将进行目视检查、伽马能谱测定，并仔细测量棒的直径。这将让我们了解包壳和燃料在辐照期间如何相互作用。"

当燃料中的U-235在反应堆中发生裂变时，会产生各种放射性核素。伽马能谱测定用于检测沿其整个长度以增量步长从棒发射的伽马辐射场。

"我们正在沿棒的长度以非常高的分辨率测量伽马发射，"Colldeweih说。"这使我们能够定义燃料组件一部分的物理特征的位置，如定位格架或棒内部，如单个燃料芯块。这些信息有助于指导我们在哪里切割燃料棒进行破坏性检验。"

精密伽马扫描仪（PGS）过程用于棒分段示意图。（图片：INL）