【核燃料持續進化多重屏障】
#核電廠事故關鍵防線 #那個很厲害的燃料棒
核電廠的多重屏障設計理念，旨在儘可能地降低事故發生機率，並在事故發生時儘可能地將放射性物質留置於廠內。從核分裂反應為起點、由內到外的防護分別為：燃料丸、燃料護套、反應度先天穩定設計、反應爐控制棒、反應爐冷卻水、反應爐壓力槽、緊急爐心冷卻系統、水泥圍阻體。為防範事故於未然，核能材料科學家和工程師們聚焦於頭兩道防線：
>燃料丸：核分裂反應發生之處。高溫燒結的陶瓷固體且可承受2000度以上高溫，只有少量惰性氣體和碘會藉由擴散作用離開燃料丸。
>燃料護套：第二道防線，留置氣體和碘等放射物。鋯合金材料能承受約1200度的高溫。通常護套破損的機率小於百萬分之一。只要護套不破裂，溢出燃料丸的放射性氣體及碘都能被鎖在護套內。
在核工業黎明時期(1970至80年代初期)，不純熟的製程使燃料丸內因核分裂反應生成之氣體無法順利排出丸外、氣體堆積致使陶瓷丸膨脹龜裂；作為燃料護套的不鏽鋼也因嚴重的輻射膨脹和熱應力問題而隨後替換為鋯合金。鋯合金在應用早期階段曾發生護套和燃料丸過於靠近致使了燃料丸與護套效應(Pellet-cladding interaction, PCI)；巨觀上則讓燃料棒變成竹子般的形狀、俗稱竹節效應。不過，此類技術障礙早已於80年代末期克服，並於90年代起全面更換為抗PCI的燃料。
鋯元素和氫氣先天的高親和性，表示兩者相遇時容易反應生成鋯氫化合物；這個脆性化合物可能讓鋯合金面臨氫脆(Hydrogen Embrittlement) 問題。此外，鋯元素和水蒸氣在高於攝氏七百度時會行鋯水反應生成氫氣和氧化鋯。導熱性差的氧化鋯薄膜可能使燃料護套更難導熱降溫。
針對前者，工程師們透過製程改良大幅抑制氫脆的可能性；針對後者，則設計了多套主動冷卻系統和嚴重事故管理指南以確保鋯合金護套溫度處於正常範圍。在第三代核電廠的設計中，又額外導入了"被動式安全"設計進一步降低人為操作疏失、延長黃金搶救時間並拉高安全度。
▋耐事故燃料
2000年初期，美國的核能材料專家們開始尋找比鋯合金更優異的護套材料，候選材料包括：改良版鋯合金、SiC/SiC、鐵鉻鋁合金(此時的研究報告仍以“APMT”稱呼、APMT是Kanthal®公司旗下的一款產品)。作為次世代燃料護套材料，在福島事故後有了正式的名字：Accident-tolerant Fuel(簡稱ATF。日:事故耐性燃料、中:耐事故燃料)。
判定為人為災難的福島事故，並非意味著核能的終結，而是新的起點。美國能源局迅速串連起電力研究所、大學、相關機構和企業，提供經費及技術支援執行加強版耐事故燃料計畫(enhanced ATF program)。日本則遲至2014年，官方組織重整、原子力規制委員會建立、第四次能源基本計劃定案後，才投入ATF研發。
耐事故燃料在燃料丸和燃料護套上有以下幾點改良:
>燃料丸：添加微量氧化鉻以拉高安全溫度餘裕。且能提供更高的燃耗值，讓核電廠得以拉高輸出功率同時升級為24個月週期燃料(亦即裝填一次燃料可連續運行24個月)。
>燃料護套：改採用鐵鉻鋁合金。和鋯合金相比，鐵鉻鋁合金能承受約1400度的高溫，同時避免高溫時生成導熱性差的氧化物和氫氣。
兩相組合，新一代的燃料棒除了讓核電廠變得更安全、還讓核電廠得以拉高輸出功率和容量因子，成為更加可靠的基載零碳排電力來源。
▋商用核電廠測試
在美國，耐事故燃料於2014年左右完成實驗室規模測試，隨後於座落於愛達荷國家實驗室的先進測試爐中進行測試。
美國能源局在2019年1月決定對核工業巨頭挹注資金，但同時也附帶了嚴格但書：要求各企業必須在資金挹注後頭14個月內於商用核電廠安裝新燃料並完成首輪測試。
不過，奇異的Global Nuclear Fuel公司已在2018年3月、
於隸屬於旗下的核電廠測試了鐵鉻鋁合金、以及表面進一步鍍鋯的燃料護套。該測試於2020年3月結束、並運往橡樹嶺國家實驗室分析。2019年4月，Framatone公司於喬治亞州、Southern Nuclear公司旗下的核電廠測試了自家開發的耐事故燃料。
兩間公司的進度超越了美國能源局原先要求的進度。不落人後的西屋，也於同年在自家的核電廠測試了新燃料。
美國核能工業組織(Nuclear Energy Institute, NEI)表示希望加速這個進度，同時驗證SiC/SiC材料的可能性。SiC/SiC材料的熔點高達2800度，有潛力運用於極端高溫的環境：重大災害情境下的輕水爐、第四代高溫氣體反應爐乃至核融合爐爐壁。
目前，西屋和Framatone正在驗證SiC/SiC護套包覆技術和全SiC/SiC護套材料，預計於2022年在核電廠中測試。
▋其他國家動態
俄羅斯國家原子能公司(Rosatom)則在2019年底宣布自家研製的耐事故燃料已完成首輪測試、預計於2020年初開始製造。
至於台灣嗎？如果核四廠商轉，屆時剛好可以用到最新的ATF喔，畢竟同樣是奇異生產，也是為了輕水反應爐所打造，往好處想，或許我們現在燃料棒暫時運到別地保管，啟封運回台灣時就是一批更先進的ATF了~~
▋參考資料
1. https://www.powermag.com/vogtle-2-installs-worlds-first-accident-tolerant-nuclear-fuel-assemblies/
2. https://rosatom.ru/en/press-centre/news/rosatom-has-manufactured-first-russian-accident-tolerant-fuel-for-commercial-reactors/
3. https://www.nextbigfuture.com/2017/06/westinghouse-formal-launch-of-safer-nuclear-fuel-with-tests-planned-from-2018-2022.html
4. https://www.energy.gov/ne/articles/new-accident-tolerant-fuel-framatome-being-tested-idaho-national-laboratory
那個很厲害的燃料棒 在 Re: [問卦] 台灣到底是什麼原因這麼討厭核電?? - 看板Gossiping 的推薦與評價