超安全核能公司(Ultra-Safe Nuclear，USNC)最近在美國開設了兩座新工廠，用于制造新型核燃料的核心材料及其TRISO基全陶瓷微膠囊燃料。

（來源：微信公眾號“嘿嘿能源heypower”ID：heiheinengyuan 作者：heypower）

1、四代核燃料

目前，四代核電反應堆的設計、許可、建造和部署正在穩步進行。

為了滿足碳排放消除的需要，同時提供穩定可靠的電力供應，新核能日益增長的勢頭高昂。

全球各國和組織幾乎每周都會宣布核技術方面的進步，能源發電協議以及各種四代反應堆設計的發展。

當市場評估下一代核方案時，無論是小型模塊化反應堆(SMR)還是微型反應堆，重點往往是核電站的硬件設施。

反應堆及其相關配套設備當然很重要，但這只是等式的一半——為這些反應堆提供動力的燃料同樣至關重要。

核燃料設計正在不斷進步，并受益于新方法和現代技術發展。然而，如果新的核能要取得成功，就必須為這些先進燃料建立穩定、可靠的供應鏈。

2、提高核燃料性能和安全性

四代核電設計中最常見的燃料形式是三結構各向同性(TRISO)燃料顆粒。

近幾十年來的研究，TRISO燃料顆粒的高溫放射性核素保留能力得到了進一步的改進。

在核工業界，TRISO長期以來一直廣受好評，因為該燃料制造高效，并具有一致的性能特征。

TRISO可以與四代反應堆的非能動排熱系統相結合，也是許多SMR和微反應堆系統的基礎技術。

在USNC，研究人員正利用全陶瓷微膠囊(FCM)的TRISO燃料驗證安全性和輻照性能。

通過將單個TRISO燃料顆粒嵌入耐火碳化硅(SiC)陶瓷中，在不降低性能的情況下提高了安全性。

作為一種即使在高溫應用中也具有極高環境穩定性的陶瓷技術，FCM燃料中的SiC基質，是對歷史上石墨基質燃料的一種改進，非常適合用于四代反應堆。

3、石墨基質燃料與SiC基體

USNC員工討論在高級陶瓷制造廠生產的添加劑制造SiC外殼。

石墨基質燃料表現出復雜的輻照行為——最初收縮，然后膨脹——因此材料隨時間會出現降解。

石墨基質也容易氧化，在可能泄漏到反應堆冷卻劑中的微量空氣或水分的情況下，很容易就降解掉。

相比之下，FCM中的SiC基體表現出眾所周知的有限膨脹行為，能夠承受極高的輻射劑量，同時保持其結構和強度。

SiC還具有優異的空氣和蒸汽抗氧化性，并且極耐環境退化。

SiC的放射性核素保留行為是最重要的考慮因素。

SiC涂層是TRISO球形燃料顆粒中放射性核素釋放的主要屏障，通過將TRISO顆粒嵌入SiC基質中，FCM燃料中TRISO燃料的放射性核素保留率顯著提高，這是一個額外的強放射性核素釋放屏障。

SiC固有的事故耐受性和燃料中極低的放射性核素釋放率是強大的安全優勢。

4、部署燃料制造設施

USNC高級陶瓷制造廠員工操作大型化學蒸汽滲透反應器。

USNC最近在美國開設了兩家工廠，生產其核心材料和FCM燃料。

這些設施完全通過USNC的私人資本融資，這證明了該公司對提供穩定和可靠的燃料供應鏈的堅定承諾。

ACM工廠

這兩個工廠中的第一個——先進陶瓷制造(ACM)——是猶他州鹽湖城的一個非放射性制造單位。

ACM設施于2021投入運行，致力于為USNC的微反應堆制造非放射性陶瓷組件。

ACM的許多制造技術都得到了USNC專有陶瓷添加劑制造技術(粘合劑噴射添加劑制造和化學蒸汽滲透的結合)的支持，該技術是由之前在美國能源部(DOE)橡樹嶺國家實驗室(ORNL)工作的一些USNC員工開發的。

USNC授權該技術用于FCM燃料和非燃料高級陶瓷組件的制造。

ACM設施擁有USNC目前的大部分粘合劑噴射添加劑制造和化學蒸汽滲透系統。這些系統可提供從0.5l到150l不等的生產能力。

這些能力應用于SiC、碳化鋯(ZrC)和各種金屬氫化物的生產。

這些特種陶瓷的制造能力支持USNC微型模塊化反應堆(MMR)及其空間相關核能系統的部署。

PFM工廠

USNC的試驗燃料制造廠位于田納西州東部技術園區。

第二個設施是試驗燃料制造(PFM)工廠，位于東田納西州科技園(ETTP)8.7英畝的場地上，原是曼哈頓項目的K-25氣體擴散工廠所在地。

PFM是一家放射性制造單位，致力于TRISO燃料顆粒和FCM燃料的中試規模制造。

該公司將于2022年年中投入運營，其生產的燃料制造模塊，可以把原料鈾加工成TRISO燃料顆粒，然后生產多公斤數量的FCM燃料。

試驗燃料制造廠的USNC員工與施工工長討論TRISO燃料涂層模塊的安裝。

PFM工廠是一個系列制造過程：

溶液凝膠化形成鈾凝膠球;

將凝膠球煅燒并燒結成致密的鈾燃料核;

流化床化學氣相沉積，用于包覆內核并產生TRISO燃料顆粒;

將TRISO裝入SiC殼體中;

最終致密化以生產FCM燃料。

PFM設施的目標之一是全面建立和編纂生產TRISO和FCM燃料的生產模塊，以支持模塊在USNC未來商業規模核燃料制造設施中的部署。

PFM設施選址涉及選址調查，以確保該地點勞動力充足，實現區域協同效應。

PFM靠近ORNL和DOE國家核安全管理局的Y-12國家安全綜合體，通過世界級的燃料特性和鈾物流能力來加強PFM設施的運營。

5、監管方面的考慮

TRISO和FCM燃料制造工藝與輕水反應堆燃料制造工藝有很大不同，使用的材料、化學品和工藝具有獨特的要求。

制定和執行合理的許可戰略需要付出額外的努力，并盡早與監管機構進行互動。

幸運的是，這些監管機構認識到，他們必須與先進的反應堆開發商有效合作，以確保最高水平的公共安全，并使工業基地能夠從輕水反應堆過渡到新的核電機組。

USNC應用添加劑技術制造FCM燃料形式的SiC基質，允許燃料設計通過獨特的跟蹤和監測能力進行幾何優化，提高系統安全性和性能。

目標是將FCM建立為一種靈活的燃料體系結構，以實現一系列核心設計。

USNC認為，隨著燃料供應鏈的發展，基于包覆顆粒燃料的FCM架構將用于USNC MMR以及其他SMR和MMR。

6、燃料鑒定

USNC PFM設施的近期目標是生產一批TRISO和FCM燃料，用于其資格認證計劃，以支持MMR許可。

該合格燃料批次計劃于2023年在荷蘭的Petten反應堆進行輻照試驗。該結果將是鑒定MMR和其他先進反應堆中使用的FCM燃料的組成部分。

濃縮度大于5wt%的低濃縮鈾(LEU)是四代反應堆燃料的關鍵。對這一系列HALEU(高含量低濃縮鈾)的需求仍然很明顯，需要政府和非政府組織采取協調行動。

他們正在努力建立這種原料供應的可靠性。考慮到當今的地緣政治，這些材料必須來自可靠的供應商。

7、粘合劑噴射3D打印技術

總部位于馬薩諸塞州的“桌面金屬”公司(Desktop Metal)與USNC合作，從其X系列粘合劑噴射系統中為該公司提供兩臺3D打印機。預計今年還會有兩臺機器。

金屬和陶瓷粉末打印機可以3D打印SiC等高級材料。

“對于我們復雜的批量生產，粘結劑噴射是一種低成本、高產量、可靠的工藝，”執行官Kurt Terrani說道。

USNC核心部門副總裁表示：“這些機器的先進材料性能是我們創新燃料設計方法的基礎。”

“桌面金屬”表示，其X系列產品線，旨在通過其可重復的開放參數和性能，將應用程序從研發規模擴展到大規模生產。

隨著該公司位于猶他州鹽湖城的設施已經安裝了小型InnoventX，USNC已經開發了其下一代核燃料矩陣，以便在更大的X25Pro和X160Pro系統上進行擴展。

“桌面金屬”聯合創始人兼CEO里克·富洛普(Ric Fulop)表示：“推動大規模采用添加劑制造，需要能夠打印高性能材料的可擴展系統，以實現最具創新性的應用。”。

X系列3D打印機有三種型號，即InnoventX、X25Pro和X160Pro，并使用先進的壓實技術，在粘合劑噴射打印過程中分配、攤鋪和壓實粉末。

對于3D打印碳化硅來說，這一過程是在低溫下進行的，這使得USNC能夠在傳統技術或傳統的基于激光的3D打印方法難以制造的材料中創建復雜的定制形狀。