在核电站中，将功率提升与燃耗延长——即燃料在更换前持续发电的时间——结合起来，可以让燃料在更高功率下稳定运行更长时间。具备事故耐受特性并能承受更高燃耗的燃料，使反应堆操作员有机会同时实现这两点，从而以更低的总体成本更高效地产生更多电力。

然而，核能属于高度监管行业。即便是对现有轻水堆燃料的渐进式改进，也必须先通过美国核管理委员会（NRC）这一关键监管机构的审查和批准，才能在商业反应堆中部署。任何运行参数的改变，如延长燃耗或提升功率，也都需要通过修改公用事业运营许可证的方式获得NRC批准。因此，若要依托新型燃料实现更长的运行周期和更高的功率输出，反应堆运营方必须提交充分的技术文件，证明这些变更在安全范围之内。

这一许可过程依赖系统的分析工作和大量实验数据支撑，需要证明燃料及其组件（如包壳）能够在更长时间、更高温度下安全运行。事故与瞬态工况测试是支撑许可分析和验证方法不可或缺的一环。

凭借在核燃料行为研究方面的深厚积累和专用实验设施，橡树岭国家实验室（ORNL）具备独特优势，可以通过先进的事故模拟与测试能力，为行业提供这些关键数据。

全面的事故测试能力

在美国能源部核能办公室先进燃料计划的支持下，ORNL研究人员通过模拟冷却剂丧失事故（LOCA测试）来获取燃料在极端工况下的行为数据。

这类测试针对的是假设情景：反应堆冷却水供应突然中断。为再现这种状况，ORNL开发了严重事故测试站（SATS），这是美国境内唯一具备半整体试验能力、可模拟事故情景并对商业照射燃料及燃料包壳进行测试的设施。

负责先进燃料计划中高燃耗燃料资格认证工作的Capps，与一支专门开展LOCA测试的研究团队紧密合作。核燃料元件性能组的杰出研发科学家严勇（Yong Yan）在ORNL事故测试能力的建设中发挥了关键作用。

“借助SATS，我们可以通过将照射燃料暴露在极高温度、不同加热速率以及内部压力条件下，来模拟包括LOCA在内的各种非正常工况。”严勇介绍说，“其最大优势在于能够对高燃耗燃料材料开展真实物理实验，并配合先进的实时诊断技术。其他设施往往难以处理，甚至无法处理这类材料。”

LOCA模拟从一小段燃料开始，长度从几英寸到约12英寸（30厘米）不等。燃料段被置于SATS中的石英管内，通过两个穿孔隔板固定定位。随后，研究人员将燃料段内部加压至相当于高燃耗条件下全长燃料棒的压力，并利用红外炉以设定的加热速率将其加热至目标最高温度。

达到设定温度后，燃料段通过水冷方式降至室温。单次测试通常持续两到三分钟，但具体时长会随实验条件变化而调整。

“在接近真实且极端的事故情景下，SATS提供的实验数据使ORNL能够不断拓展核安全与反应堆设计的边界，为未来核能系统的性能与可靠性提供更有力的保障。”严勇说。

这些实验数据随后由燃料供应商用于撰写技术报告，以证明新型包壳和燃料材料在相关工况下的安全性。NRC会对这些报告进行审查，确认所有安全问题都得到充分回应，并在完成全面评估后决定是否批准。

数据驱动的燃料行为认知

SATS由ORNL自主设计和建造，包含两个互补的测试站。一处位于常规实验室环境中，研究人员可以在此设计实验、调整测试条件，并在对照射材料开展正式试验前进行敏感性研究。另一处位于热室内，用于在受控条件下对商业照射燃料和燃料棒施加相同的测试工况。

依托这套能力，研究团队能够重现多种“瞬态”事件或非正常运行状态，包括LOCA及其他高温情景。每个SATS测试站都配备两种炉子：一种用于在设计基准事故条件下进行LOCA测试，即核设施在设计时必须能够承受的事故情形；另一种高温炉则用于模拟“超出设计基准条件”的极端、低概率事件。

通过模拟这些不同情景，研究人员可以获取细致的数据，用于分析核燃料及其包壳在事故中的响应行为。跨越多种事故条件的系统测试，为燃料和相关组件的许可提供了关键依据。

SATS还可用于测量瞬态裂变气体释放，即燃料内部裂变气体在温度或压力快速变化时的逸出情况。研究人员也利用该平台研究燃料碎裂、迁移和扩散等现象。

“每一项实验的起点，都是一个尚缺乏数据支撑的科学或工程问题。”严勇表示，“借助SATS，我们可以重建相应条件并采集一整套详细测量数据，从而更有把握、更加直接地回答这些问题。”

近期，ORNL科学家通过引入数字图像相关技术，进一步扩展了SATS的能力，实现了在LOCA测试中实时观测和测量包壳变形，这在同类试验中尚属首次。

“我们在炉壁上开设了观察窗口，并安装摄像机获取高精度光学图像。”腐蚀科学与技术组研发助理Mackenzie Ridley介绍说，“这些图像经过分析后可以转化为定量的变形数据，对深入理解事故条件下复杂的燃料—包壳相互作用至关重要。”

以合作推动技术进展

对核反应堆运营方和燃料制造商而言，这些数据是获得NRC批准、将增强型燃料投入实际运行的基础。ORNL长期以来一直是行业在这方面的核心合作伙伴之一。

ORNL团队与Southern Nuclear、Constellation等公用事业公司，以及西屋电气、Framatome和Global Nuclear Fuel等燃料制造商紧密协作，在过去四年中完成了16次LOCA测试，并计划在未来几年内将测试数量几乎翻倍。

“这些实验数据覆盖了高燃耗、标准燃耗以及事故耐受燃料棒，它们都曾在商业轻水堆中实际照射运行。利用这些数据，可以加快新型燃料以及相关分析代码和方法的审查与批准进程。”西屋核燃料首席工程师Zeses Karoutas表示。

“随着负荷增长持续给电网带来压力，提升核燃料性能的重要性前所未有。”Southern Nuclear核燃料与分析总监Johnathan Chavers指出，“能够充分挖掘核燃料潜力的创新技术，是提高电厂运行效率、向电网输送更多电能的关键，而橡树岭国家实验室在测试和分析方面的专业能力，对帮助公用事业优化运营、释放创新燃料技术的更大价值不可替代。”

面向未来的核能支撑

在电力需求不断攀升、对核能依赖日益增加的背景下，ORNL与商业反应堆运营商及核燃料供应商之间的战略合作，将在实现国家能源目标方面发挥关键作用。Capps也强调了ORNL在提供关键测试和分析、加速技术进展中的核心地位。

“这些测试清晰地表明，创新与安全可以并行不悖。”Capps说，“ORNL是值得信赖的数据提供者，这些数据增强了我们对创新燃料的信心。每一次实验都在帮助行业伙伴更高效地运营，同时巩固美国在先进核技术领域的全球领先地位。”