开启中国核能新时代的球形核燃料：直径6 cm，每年需要30万个

一颗采用TRISO结构的核燃料球，直径约6 cm，含有一万多克核芯颗粒和7克核燃料。被石墨包覆的结构在有效解决了核燃料的安全性问题的同时，提高了核燃料的利用率。随着以清华大学主导的高温气冷反应堆——HTR-10示范堆在山东石岛湾核电站的建成，我国开启了核能商用新时代。

蕴含巨大能量的核燃料，是核电站稳定运行的物质基础，但上世纪的切尔诺贝利事故和几年前的福岛核电站事故给核电发展蒙上了阴影。为核电站设计选择安全可靠的燃料成为摆在核物理学家和核电站设计者面前的重要课题，TRISO型包覆燃料的设计和成功应用无疑为核电发展打开了一扇大门，为我国的核电发展以及能源结构的改善带来了曙光。

经济社会的发展带来用电量的激增，传统火力发电对环境危害大，改变能源结构，促进绿色发展已然成为国家战略。虽然在我国，火力发电仍然是主流发电方式，但风力发电、水力发电、核能发电等新型发电方式也在悄然改变着我国的能源结构。

从燃料结构入手，让核能安全便宜

在多种新型发电方式中，核能发电以经济成本稳定、污染小、受限条件少等特性成为各国争相大力发展的对象，经过几十年的发展，我国核能发电技术渐渐走向成熟，核能发电成本下降，越来越多的原子核中的能量流向平民百姓家。

核电发展初期，人们谈核色变，对核电站的安全性提出广泛质疑，除此之外，核燃料的稳定供应成为制约核电发展的一大约束。反应堆所用的燃料有铀裂变燃料和钍增殖燃料，但我国的铀、钍资源储量差距巨大，铀储量只有钍储量的六分之一，且大部分是不能直接利用的贫铀。

燃料可在热中子反应堆中实现较高的转换增殖，为了解决热中子反应堆的稳定运行问题，提高钍燃料的利用率，缓解我国核燃料储量窘境，中国科学院在2011年启动实施了“未来现金核裂变能——钍基熔盐堆核能系统”（Thorium Molten Salt Reactor）TMSR战略性先导科技专项，采用三结构同向性型（TRISO）包覆颗粒球形元件的固态燃料熔盐堆是TMSR专项中的一个重要堆型。

包覆颗粒燃料元件有球形和柱形两种基本类型。目前发展较为成熟的球形燃料元件直径为6cm，分为燃料区和非燃料区，燃料区直径5cm，燃料区和非燃料区的基体材料相同，都是由64%天然石墨粉、16%的人造石墨粉和20%的粘结剂酚醛树脂制成。

在三结构同向性型（简称TRISO）球形燃料元件中，核燃料均匀分散在燃料区的基体石墨中，由于TRISO燃料元件的高稳定性，有效改善了反应堆的安全性和经济性问题，同时极大提高了核燃料利用率，成为推动新一代核电站稳定运行的重要基石，也成为可再生能源领域的规则改变者。

坊间有很多关于TRISO燃料元件的传言，而且看似都理由充分。这些元件有一个燃料内核，被三层隔离层包围，设计用于承受高达1600摄氏度的高温和高压，即使在最坏的情况下也能有效避免核燃料的泄漏。

在每个TRISO元件的核心，有一个由铀（钍）、碳和氧组成的燃料核，由防止放射性裂变产物释放的材料包裹。

是时候让谈核色变远走高飞了

由于核电站的运行需要大量的水，因此我国的核电站多建在东部沿海，而在核电站附近居住的居民或多或少都会产生对核电站安全性的担忧，民众的反对是核电发展早期的一大阻碍，2011年福岛核电站事故将反对之声推向高峰。

即使公众舆论此起彼伏，科学家们也是力排众议，大力支持发展核能，主要原因很简单：它很清洁干净，所谓干净，是对环境而言，核电站的运行不会产生污染性气体。

在美国，核能提供了20%的电力；在法国，58台核电机组提供了75%的清洁电力，而在我国，这一数字还不到5%。

人人都知道发生于1986年的切尔诺贝利核电站事故，造成了巨大生命财产损失，HBO的同名系列节目让这个事件再次进入人们的目光，事故的惨烈触目惊心，引发了更多对核能的反对。如果你问大多数人，他们会告诉你住在核电站附近会不舒服。

但是这个立场是合理的吗？

切尔诺贝利是一个所谓的RBMK型反应堆，最古老的商业反应堆设计。目前仍有10座这样的反应堆在运行，但它们都在俄罗斯，而且没有新的反应堆正在建设中，以后肯定也不会有。

在福岛核电站事故之后，核电站的设计者们对安全性问题更加重视，现代化反应堆被设计用来防止类似的悲剧发生。这样的灾难几乎不可能再次发生。尽管事实上，当切尔诺贝利事故发生前，人们也认为这几乎是不可能的。

改进的机制使现代化反应堆极其安全，但它们绝对安全吗？

简而言之，没有办法预见事故的所有可能原因。谁知道明天和意外哪个先来，我们本就活在一个不确定性社会中。

福岛核事故是自切尔诺贝利事故以来唯一的另一场重大核电站事故，一系列极端和不可预见的事件导致了这场灾难。一场9.0级的地震(有记录以来最大的一次)产生了15米高的海啸，淹没了核电站5.7米的海堤。

突如其来的海水淹没了工厂的地下室，导致应急发电机瘫痪。虽然有备用发电机，但容纳它们的建筑也被淹没。电厂控制系统的电源被转换成了电池，但是由于路况不佳，应急电源无法及时投入使用。

福岛核电站事故没有切尔诺贝利那次那么严重，但它表明，即使在现代，也不是没有核安全问题。这就是TRISO的由来。

安全核燃料让核电更安全

任何核反应堆的主要安全问题都是核燃料熔毁，TRISO的主要优势正是足以应对这一问题。

TRISO燃料元件的多层防护结构不仅能防止放射性裂变产物的释放，还能抵抗中子辐射、腐蚀、氧化和高温——这些是核反应堆中最常见的风险来源。

对于TRISO球形燃料元件的早期辐照测试表明：其可暴露在高达1800摄氏度的温度下超过300小时而不发生熔毁，并仍能继续被用做核燃料，这些测试超出了高温气冷反应堆预计的最坏情况事故条件。

TRISO燃料元件辐照后核燃料在如此高的温度下保留裂变的能力，直接转化为反应堆安全性的提高，这类测试数据是反应堆设计和反应堆许可的重要数据。

TRISO燃料元件最初是在20世纪60年代在英国开发的，是龙反应堆项目的一部分——一个实验性的高温气冷反应堆。到2002年，美国能源部投入了大量的精力来改进TRISO燃料，结果开始显现。到2009年，经过改进的TRISO燃料在爱达荷国家实验室(INL)进行的三年测试中达到了19%的最大燃耗，创下了世界纪录——比目前轻水燃料的燃耗高出三倍。

燃耗是核燃料燃耗的简称，是对反应堆中核燃料消耗的度量，燃耗越大，表明核燃料利用得越充分。

19%的最大燃耗证明了TRISO反应堆的反应效率和长寿命能力。

TRISO也不是什么牵强附会的新技术，它已经投入商用

有两个实验反应堆已经使用了TRISO燃料压缩体：我国清华大学的HTR-10实验堆和日本的高温工程试验反应堆。美国能源部的先进反应堆技术(ART)项目也在进行先进的TRISO燃料研究，世界各地的各种项目已经在开发使用TRISO型燃料的高温熔盐核反应堆。

位于山东省荣成市的石岛湾核电站，正是我国第一座模块式高温气冷反应堆——HTR-10示范堆的落成之地，多年筹建和建设，已投入使用。石岛湾核电站每年需要30万个燃料球才能保证其稳定持续运行。

新型反应堆的建成推进意味着核电站规划方式的转变：从为整个城市供电的大型核电厂，到体积更小、更坚固的反应堆，为更小的区域供电，而不会带来任何风险。

不仅仅是常规核反应堆，TRISO是一种强健的燃料元件形式，非常适合军事和太空应用，有可能为太空探索打开新的大门。

核能的经济可行性仍然是一个问题，但TRISO燃料元件可以解决一些核能的长期性安全问题，提供清洁可靠的能源。或许，有了这些球形核燃料，核能可能最终会在清洁能源方面占据重要席位。