如今核電站使用的核燃料自半個多世紀前首次部署以來幾乎沒有變化。自核電行業誕生以來，水冷反應堆的燃料設計一直基于陶瓷氧化鈾 (UO2) 燃料芯塊，鈾 235 濃縮度低于 5%，并裝在鋯合金包殼管中。

雖然這種基本燃料設計已不斷得到改進，現代商用核燃料的性能也優于原始燃料，但現代燃料仍由相同的基本設計元素組成，即鋯合金包殼管中包含的 UO2 燃料芯塊。這種燃料設計的性能可能會繼續不斷改進，但商用核燃料性能的深遠進步可能需要根本性的改變。

相反，Lightbridge 的先進金屬燃料棒設計正在開發用于現有的水冷反應堆和水冷 SMR，與現有燃料有著根本的不同，并提供了一系列同時發生的階躍改進。

Lightbridge 金屬燃料棒為多葉螺旋扭曲結構，由金屬鈾鋯合金燃料芯(共擠壓并與鋯合金包層冶金結合)和可與可燃毒物合金化的中心鋯合金置換器組成。

燃料芯是一種合金，按重量計算，鈾和鋯的含量約為 50% 和 50%。燃料合金的鈾成分可濃縮至 19.75% 的 U-235。濃縮度在 5% 以上和 20% 以下的被稱為高純度低濃縮鈾或 HALEU。包層由鋯合金組成，這是傳統核燃料的標準材料。螺旋扭曲設計使燃料組件中的燃料棒可以自行間隔，無需使用間隔格柵。

新型燃料的優勢

由于其設計特點，與鋯合金包殼管中 UO2 顆粒組成的傳統圓柱形燃料棒相比，金屬燃料在幾個關鍵領域具有固有的優越技術性能：

燃料溫度更低：Lightbridge 金屬燃料的熱導率明顯高于陶瓷 UO2 燃料，而且由于 Lightbridge 包層與燃料以冶金方式結合，因此不存在傳統燃料棒中的燃料包層氣隙。這使得 Lightbridge 燃料可以在較低的燃料溫度下運行，從而提高安全裕度，并在正常、非正常和事故情況下提高性能。

增強冷卻：Lightbridge 燃料棒采用多葉螺旋扭曲設計，與圓柱形燃料棒相比，傳熱面積顯著增加，冷卻劑混合效果顯著改善。由于 Lightbridge 燃料棒是自間隔的，不需要間隔格柵，因此它們可以適應更高的冷卻劑流速，同時降低整個堆芯的壓降。使用低壓降 Lightbridge 燃料對使用自然循環和被動安全系統的 SMR 具有顯著優勢。

HALEU 的使用：Lightbridge Fuel 使用 HALEU，其中包含足夠的可裂變材料來實現功率提升、循環長度延長，并達到輕水反應堆的高燃耗，達到目前商業燃料極限外 50% 或更多的燃耗。

包層機械完整性：Lightbridge Fuel 采用標準鋯合金包層材料。然而，與傳統的管內顆粒燃料棒不同，包層與燃料冶金結合，主要用作裂變產物釋放的屏障，而不是燃料棒的主要結構部件。因此，Lightbridge 包層不會像傳統燃料棒那樣承受相同的機械應力，從而使燃料棒在高燃耗下保持其機械完整性(結構完整性和作為裂變產物屏障的完整性)。此外，由于包層與燃料冶金結合，因此包層的任何破裂都只會導致少量局部燃料暴露于冷卻劑，從而減少包層破裂的后果。

燃料的機械完整性：在水冷反應堆條件下，燃料表現出低膨脹和出色的裂變產物保留率，確保鈾鋯燃料合金保持其機械完整性，并確保燃料對包殼施加的應力較低。共擠金屬燃料和包殼構成了堅固的燃料棒設計，可承受功率瞬變、流動引起的振動、地震事件等其他機械負載。

抗擴散性：新鮮的 Lightbridge 金屬燃料中 U-238 的含量顯著減少，有助于提高抗擴散性，因為在輻照過程中產生的钚數量要少得多，而且它處于抗擴散同位素混合物中。

減少廢物量：由于 Lightbridge Fuel 可以實現較高的壽命終燃效率，運行水冷反應堆(包括提高功率和延長循環長度)所需的燃料吞吐量顯著減少，從而減少廢物量。

這些燃料設計固有的優勢使其能夠在較低的燃料工作溫度下以更高的功率運行更長時間，同時提高安全裕度，同時產生的廢物更少，比現有燃料更耐擴散。堅固的機械設計使其天生更適合承受功率調整，提供增強的運營靈活性，并使大型工廠和 SMR 都能進行負荷跟蹤。

燃料開發

該燃料設計是成熟燃料技術的改進版，該技術采用了鈾鋯燃料合金成分，幾十年來一直用于水冷式海上反應堆。為優化該燃料在商用水冷式反應堆中的使用，對設計進行了改進，包括增加中央置換器以降低燃料溫度、使用現代核燃料包覆合金以及采用多葉幾何形狀以優化傳熱和冷卻劑混合。該海上燃料使用高濃縮鈾，在極高燃耗下表現出色，最高可達目前商用核燃料報廢燃耗極限的兩倍以上。由于 Lightbridge Fuel 使用 HALEU 而不是高濃縮鈾，預期的燃耗水平完全在海上燃料的經驗范圍內，因此我們高度相信，該燃料將在水冷式核電站和 SMR 的報廢期間表現出強勁的性能。

為了支持未來的資格認證和許可工作，Lightbridge 團隊與多家研究機構一起開展了大量研究，包括在各種類型的水冷反應堆中各種條件下的模擬研究、熱工水力和振動實驗、研究反應堆中擠壓多葉燃料棒的概念驗證輻照測試，以及制造工藝的初步演示。此外，兩項 GAIN 代金券獎勵使愛達荷國家實驗室 (INL) 能夠為燃料設計先進測試反應堆 (ATR) 膠囊輻照實驗，太平洋西北國家實驗室 (PNNL) 進行了鑄造演示工作，使用貧鈾和鋯合金制造燃料合金錠。

Lightbridge 目前正在 INL 開展燃料開發活動，工作范圍包括改進制造工藝、燃料材料試樣的輻照測試以及對輻照材料進行相應的輻照后檢查。這些研究將根據核質量保證標準驗證輻照過程中的基本材料特性，旨在為在 ATR 和瞬態反應堆測試設施 (TREAT) 中對各種條件下的棒狀體進行后續測試提供參考。

此外，美國能源部 (DOE) 核能大學計劃 (NEUP) 資助的兩項正在進行的研究(一項由麻省理工學院 (MIT) 牽頭，另一項由德克薩斯農工大學牽頭)正在通過模擬研究和實驗室實驗研究 NuScale SMR 中燃料在正常和非正常條件下的中子、熱和熱工水力性能。這些正在進行的燃料開發活動支持授權 Lightbridge 金屬燃料棒用于現有核電站和水冷式 SMR 的目標。

在現有和未來的反應堆中的使用

Lightbridge 燃料既可用于現有核電站，也可用于使用傳統核燃料的小型模塊化反應堆，無需對工廠進行重大改造。在這兩種情況下，這都能在安全性、燃料性能、廢物減少和抗擴散方面實現階躍式改進。這直接提高了發電廠的經濟性，因為發電廠可以在兩次加油之間更長的時間內生產更多的能源，并且提高了運營靈活性。例如，在四回路壓水反應堆 (PWR) 中使用這種燃料，可以將功率提高 10%，并將燃料循環從 18 個月延長到 24 個月，而無需對工廠進行重大改造。

在新建反應堆中，包括千兆瓦級核電站和小型核電站，平衡電廠設備可以設計為充分利用先進燃料，使功率比使用傳統燃料可實現的水平提高 30%。

小型模塊化反應堆的設計建造速度更快，所需的前期資本投資比大型反應堆要小，并且旨在實現批量生產的經濟性。

在 SMR 中使用 Lightbridge 燃料可以提高功率密度，同時保持強大的安全裕度，也可以使其更具經濟性，并進一步增強 SMR 與其他能源的競爭力。

未來，全球核電裝機容量將大幅增加，以實現氣候目標，新裝機容量很可能包括千兆瓦級核電站和小型核反應堆。由于 Lightbridge 燃料能夠以高功率密度運行，且設計堅固耐用，在未來的水冷核電站和小型核反應堆中使用 Lightbridge 燃料，將需要建造更少的反應堆來實現相同的裝機容量。

Lightbridge Fuel 是水冷反應堆燃料的重大進步，在安全性、燃料性能、廢物減少、抗擴散和發電廠經濟性方面均有改善。它有望為水冷反應堆的核燃料樹立新標準。

作者：Scott Holcombe 博士、Andrey Mushakov 博士和 James Fornof(Lightbridge Corporation)