工程师们正在重新设计几乎所有世界核反应堆中使用的铀燃料，以减少氢气爆炸的可能性和事故期间的辐射释放——这正是 2011 年日本福岛第一核电站发生的情况。 仍在完善中的新型燃料已经过测试。
在反应堆堆芯中，铀原子裂变，释放出中子和热量。 反应堆内部和周围的系统防止堆芯过热。 改进燃料，使其在高热下不易熔化或破裂，并且不太可能产生氢气，可以降低事故期间放射性物质释放的风险。 同样的改进可以使发电厂运行更有效率，发电更具竞争力。
在美国运行的所有 98 座动力反应堆，无论其设计如何，都使用压制成圆柱形陶瓷颗粒的铀燃料，每个颗粒都像一块大的铅笔橡皮擦那么大。 这些颗粒堆叠在由锆合金制成的长燃料棒内，燃料棒浸没在水中。 在裂变过程中，从燃料颗粒释放的中子很容易穿过锆并进入其他燃料棒，在那里它们维持产生热量的链式反应。 热量将水变成蒸汽，从而产生电力。
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图片来源：José Miguel Mayo
长期以来，锆一直被用于制造燃料棒，正是因为它对中子具有如此高的渗透性。 此前的想法是，铀的勘探、开采、加工和浓缩（提高能够产生链式反应的原子核的比例）将是复杂且昂贵的。 安排反应堆堆芯以优化能量输出的科学也还很年轻。 中子似乎太珍贵而不能损失。 但正如福岛事故在现场直播中证明的那样，如果锆过热，它会与水（或蒸汽）反应生成可能发生爆炸的氢气。
如今，反应堆的设计和运行更加精细，铀已被证明储量丰富且易于浓缩，因此电厂运营商可以承受牺牲少量中子。 因此，科学家和工程师们现在正在完善替代设计，以最大限度地减少氢气的产生并承受更高的热量。
在福岛事故的刺激下，制造商与美国能源部合作，正在迅速推进四种所谓的事故容错燃料，每种燃料都采用明显不同的方法。 因为所有这些燃料都可以在几乎不需要修改反应堆硬件的情况下更换到现有反应堆中，所以它们可以在 2020 年代逐步引入现有设备。
已经生产行业大部分燃料的三家竞争公司——法马通、通用日立核能和西屋电气公司——已经开始在现有反应堆中测试少量燃料。 这些设计背后的想法是通过涂覆锆、更换锆或完全改变燃料颗粒成分来降低锆反应问题的可能性。
第四种概念来自美国市场新进入者 Lightbridge 公司，它将铀和锆结合成一种反应性较低的合金，形状像甘草棒，这种结构可以更好地传递热量。 铀的浓缩度必须高于目前允许的水平，因此美国法规必须进行修改。
几十年来，公用事业所有者很难获得任何类型新燃料的监管批准，但他们正在再次尝试，他们意识到有必要与廉价的天然气以及日益丰富的太阳能和风能竞争。 美国所有者正在从广泛的核研究和开发基础设施（特别是国家实验室）获得设计和制造方面的帮助。 然而，这项工作正迅速走向全球。 2018 年 7 月，来自美国和欧盟的科学家在爱达荷国家实验室举行了一次研讨会，讨论如何最好地汇集两大洲的研究成果。 经济合作与发展组织正在制定新的燃料测试框架。 如果事故容错燃料表现良好，核电可能会在日本重新获得发展势头，在日本，关于重启该国多少反应堆仍在继续争论。
当然，必须清除重大障碍。 在新燃料准备好商业使用之前，必须在正常运行和事故条件下进行大量的小燃料数量的堆内测试和计算机性能建模。 行业怀疑论者必须确信新材料将按承诺发挥作用。 更先进的建模技术正在上线以帮助这项工作。 美国能源部位于田纳西州橡树岭国家实验室的轻水反应堆高级模拟联盟的模拟技术可以显着加快基础研究、工程开发和商业化。
如果试验数据具有说服力，美国的燃料供应链（从制造车间到反应堆再装料车间）将不得不进行改造，工厂流程和程序也必须进行调整。 监管机构将不得不批准每一步。
重新思考燃料可能只是更大变革的开始。 科学家和工程师正在设计高温气冷反应堆，该反应堆将使用包裹在奇异涂层中的铀颗粒； 类似泡泡糖的颗粒本身将控制核反应，而不是通常插入燃料棒之间的控制棒。 熔盐反应堆也在进行中，其中燃料和反应堆冷却剂可以结合在一起，从而实现简单的机制来防止过热。
天然气、太阳能和风能行业在短短几年内发生了巨大变化。 核能行业也可能准备好重塑自我。
*编者注（7/4/19）：此句子在发布后经过编辑，以澄清燃料棒包含在六角形结构内。