超安全核能公司(Ultra-Safe Nuclear，USNC)最近在美國開(kāi)設了兩座新工廠(chǎng)，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(lái)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(jìn)行。
為了滿(mǎn)足碳排放消除的需要，同時(shí)提供穩定可靠的電力供應，新核能日益增長(cháng)的勢頭高昂。
全球各國和組織幾乎每周都會(huì )宣布核技術(shù)方面的進(jìn)步，能源發(fā)電協(xié)議以及各種四代反應堆設計的發(fā)展。
當市場(chǎng)評估下一代核方案時(shí)，無(wú)論是小型模塊化反應堆(SMR)還是微型反應堆，重點(diǎn)往往是核電站的硬件設施。
反應堆及其相關(guān)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(dòng)力的燃料同樣至關(guān)重要。
核燃料設計正在不斷進(jìn)步，并受益于新方法和現代技術(shù)發(fā)展。然而，如果新的核能要取得成功，就必須為這些先進(jìn)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(jiàn)的燃料形式是三結構各向同性(TRISO)燃料顆粒。
近幾十年來(lái)的研究，TRISO燃料顆粒的高溫放射性核素保留能力得到了進(jìn)一步的改進(jìn)。
在核工業(yè)界，TRISO長(cháng)期以來(lái)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(dòng)排熱系統相結合，也是許多SMR和微反應堆系統的基礎技術(shù)。
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(guò)將單個(gè)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(huán)境穩定性的陶瓷技術(shù)，FCM燃料中的SiC基質(zhì)，是對歷史上石墨基質(zhì)燃料的一種改進(jìn)，非常適合用于四代反應堆。
3、石墨基質(zhì)燃料與SiC基體
USNC員工討論在高級陶瓷制造廠(chǎng)生產(chǎn)的添加劑制造SiC外殼。
石墨基質(zhì)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(shí)間會(huì )出現降解。
石墨基質(zhì)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(shí)保持其結構和強度。
SiC還具有優(yōu)異的空氣和蒸汽抗氧化性，并且極耐環(huán)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(guò)將TRISO顆粒嵌入SiC基質(zhì)中，FCM燃料中TRISO燃料的放射性核素保留率顯著(zhù)提高，這是一個(gè)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(yōu)勢。
4、部署燃料制造設施
USNC高級陶瓷制造廠(chǎng)員工操作大型化學(xué)蒸汽滲透反應器。
USNC最近在美國開(kāi)設了兩家工廠(chǎng)，生產(chǎn)其核心材料和FCM燃料。
這些設施完全通過(guò)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(chǎng)
這兩個(gè)工廠(chǎng)中的第一個(gè)——先進(jìn)陶瓷制造(ACM)——是猶他州鹽湖城的一個(gè)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(shù)都得到了USNC專(zhuān)有陶瓷添加劑制造技術(shù)(粘合劑噴射添加劑制造和化學(xué)蒸汽滲透的結合)的支持，該技術(shù)是由之前在美國能源部(DOE)橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室(ORNL)工作的一些USNC員工開(kāi)發(fā)的。
USNC授權該技術(shù)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(xué)蒸汽滲透系統。這些系統可提供從0.5l到150l不等的生產(chǎn)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(chǎn)。
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(guān)核能系統的部署。
PFM工廠(chǎng)
USNC的試驗燃料制造廠(chǎng)位于田納西州東部技術(shù)園區。
第二個(gè)設施是試驗燃料制造(PFM)工廠(chǎng)，位于東田納西州科技園(ETTP)8.7英畝的場(chǎng)地上，原是曼哈頓項目的K-25氣體擴散工廠(chǎng)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(yíng)，其生產(chǎn)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(chǎn)多公斤數量的FCM燃料。
試驗燃料制造廠(chǎng)的USNC員工與施工工長(cháng)討論TRISO燃料涂層模塊的安裝。
PFM工廠(chǎng)是一個(gè)系列制造過(guò)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(xué)氣相沉積，用于包覆內核并產(chǎn)生TRISO燃料顆粒;
將TRISO裝入SiC殼體中;
最終致密化以生產(chǎn)FCM燃料。
PFM設施的目標之一是全面建立和編纂生產(chǎn)TRISO和FCM燃料的生產(chǎn)模塊，以支持模塊在USNC未來(lái)商業(yè)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(diǎn)勞動(dòng)力充足，實(shí)現區域協(xié)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(guò)世界級的燃料特性和鈾物流能力來(lái)加強PFM設施的運營(yíng)。
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(xué)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(jìn)行互動(dòng)。
幸運的是，這些監管機構認識到，他們必須與先進(jìn)的反應堆開(kāi)發(fā)商有效合作，以確保最高水平的公共安全，并使工業(yè)基地能夠從輕水反應堆過(guò)渡到新的核電機組。
USNC應用添加劑技術(shù)制造FCM燃料形式的SiC基質(zhì)，允許燃料設計通過(guò)獨特的跟蹤和監測能力進(jìn)行幾何優(yōu)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(shí)現一系列核心設計。
USNC認為，隨著(zhù)燃料供應鏈的發(fā)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(chǎn)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(jìn)行輻照試驗。該結果將是鑒定MMR和其他先進(jìn)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(guān)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(xié)調行動(dòng)。
他們正在努力建立這種原料供應的可靠性?？紤]到當今的地緣政治，這些材料必須來(lái)自可靠的供應商。
7、粘合劑噴射3D打印技術(shù)
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(huì )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(chǎn)，粘結劑噴射是一種低成本、高產(chǎn)量、可靠的工藝，”執行官Kurt Terrani說(shuō)道。
USNC核心部門(mén)副總裁表示：“這些機器的先進(jìn)材料性能是我們創(chuàng )新燃料設計方法的基礎。”
“桌面金屬”表示，其X系列產(chǎn)品線(xiàn)，旨在通過(guò)其可重復的開(kāi)放參數和性能，將應用程序從研發(fā)規模擴展到大規模生產(chǎn)。
隨著(zhù)該公司位于猶他州鹽湖城的設施已經(jīng)安裝了小型InnoventX，USNC已經(jīng)開(kāi)發(fā)了其下一代核燃料矩陣，以便在更大的X25Pro和X160Pro系統上進(jìn)行擴展。
“桌面金屬”聯(lián)合創(chuàng )始人兼CEO里克·富洛普(Ric Fulop)表示：“推動(dòng)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(shí)現最具創(chuàng )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(jìn)的壓實(shí)技術(shù)，在粘合劑噴射打印過(guò)程中分配、攤鋪和壓實(shí)粉末。
對于3D打印碳化硅來(lái)說(shuō)，這一過(guò)程是在低溫下進(jìn)行的，這使得USNC能夠在傳統技術(shù)或傳統的基于激光的3D打印方法難以制造的材料中創(chuàng )建復雜的定制形狀。
（來(lái)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(jìn)行。
為了滿(mǎn)足碳排放消除的需要，同時(shí)提供穩定可靠的電力供應，新核能日益增長(cháng)的勢頭高昂。
全球各國和組織幾乎每周都會(huì )宣布核技術(shù)方面的進(jìn)步，能源發(fā)電協(xié)議以及各種四代反應堆設計的發(fā)展。
當市場(chǎng)評估下一代核方案時(shí)，無(wú)論是小型模塊化反應堆(SMR)還是微型反應堆，重點(diǎn)往往是核電站的硬件設施。
反應堆及其相關(guān)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(dòng)力的燃料同樣至關(guān)重要。
核燃料設計正在不斷進(jìn)步，并受益于新方法和現代技術(shù)發(fā)展。然而，如果新的核能要取得成功，就必須為這些先進(jìn)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(jiàn)的燃料形式是三結構各向同性(TRISO)燃料顆粒。
近幾十年來(lái)的研究，TRISO燃料顆粒的高溫放射性核素保留能力得到了進(jìn)一步的改進(jìn)。
在核工業(yè)界，TRISO長(cháng)期以來(lái)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(dòng)排熱系統相結合，也是許多SMR和微反應堆系統的基礎技術(shù)。
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(guò)將單個(gè)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(huán)境穩定性的陶瓷技術(shù)，FCM燃料中的SiC基質(zhì)，是對歷史上石墨基質(zhì)燃料的一種改進(jìn)，非常適合用于四代反應堆。
3、石墨基質(zhì)燃料與SiC基體
USNC員工討論在高級陶瓷制造廠(chǎng)生產(chǎn)的添加劑制造SiC外殼。
石墨基質(zhì)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(shí)間會(huì )出現降解。
石墨基質(zhì)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(shí)保持其結構和強度。
SiC還具有優(yōu)異的空氣和蒸汽抗氧化性，并且極耐環(huán)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(guò)將TRISO顆粒嵌入SiC基質(zhì)中，FCM燃料中TRISO燃料的放射性核素保留率顯著(zhù)提高，這是一個(gè)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(yōu)勢。
4、部署燃料制造設施
USNC高級陶瓷制造廠(chǎng)員工操作大型化學(xué)蒸汽滲透反應器。
USNC最近在美國開(kāi)設了兩家工廠(chǎng)，生產(chǎn)其核心材料和FCM燃料。
這些設施完全通過(guò)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(chǎng)
這兩個(gè)工廠(chǎng)中的第一個(gè)——先進(jìn)陶瓷制造(ACM)——是猶他州鹽湖城的一個(gè)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(shù)都得到了USNC專(zhuān)有陶瓷添加劑制造技術(shù)(粘合劑噴射添加劑制造和化學(xué)蒸汽滲透的結合)的支持，該技術(shù)是由之前在美國能源部(DOE)橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室(ORNL)工作的一些USNC員工開(kāi)發(fā)的。
USNC授權該技術(shù)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(xué)蒸汽滲透系統。這些系統可提供從0.5l到150l不等的生產(chǎn)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(chǎn)。
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(guān)核能系統的部署。
PFM工廠(chǎng)
USNC的試驗燃料制造廠(chǎng)位于田納西州東部技術(shù)園區。
第二個(gè)設施是試驗燃料制造(PFM)工廠(chǎng)，位于東田納西州科技園(ETTP)8.7英畝的場(chǎng)地上，原是曼哈頓項目的K-25氣體擴散工廠(chǎng)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(yíng)，其生產(chǎn)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(chǎn)多公斤數量的FCM燃料。
試驗燃料制造廠(chǎng)的USNC員工與施工工長(cháng)討論TRISO燃料涂層模塊的安裝。
PFM工廠(chǎng)是一個(gè)系列制造過(guò)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(xué)氣相沉積，用于包覆內核并產(chǎn)生TRISO燃料顆粒;
將TRISO裝入SiC殼體中;
最終致密化以生產(chǎn)FCM燃料。
PFM設施的目標之一是全面建立和編纂生產(chǎn)TRISO和FCM燃料的生產(chǎn)模塊，以支持模塊在USNC未來(lái)商業(yè)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(diǎn)勞動(dòng)力充足，實(shí)現區域協(xié)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(guò)世界級的燃料特性和鈾物流能力來(lái)加強PFM設施的運營(yíng)。
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(xué)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(jìn)行互動(dòng)。
幸運的是，這些監管機構認識到，他們必須與先進(jìn)的反應堆開(kāi)發(fā)商有效合作，以確保最高水平的公共安全，并使工業(yè)基地能夠從輕水反應堆過(guò)渡到新的核電機組。
USNC應用添加劑技術(shù)制造FCM燃料形式的SiC基質(zhì)，允許燃料設計通過(guò)獨特的跟蹤和監測能力進(jìn)行幾何優(yōu)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(shí)現一系列核心設計。
USNC認為，隨著(zhù)燃料供應鏈的發(fā)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(chǎn)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(jìn)行輻照試驗。該結果將是鑒定MMR和其他先進(jìn)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(guān)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(xié)調行動(dòng)。
他們正在努力建立這種原料供應的可靠性?？紤]到當今的地緣政治，這些材料必須來(lái)自可靠的供應商。
7、粘合劑噴射3D打印技術(shù)
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(huì )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(chǎn)，粘結劑噴射是一種低成本、高產(chǎn)量、可靠的工藝，”執行官Kurt Terrani說(shuō)道。
USNC核心部門(mén)副總裁表示：“這些機器的先進(jìn)材料性能是我們創(chuàng )新燃料設計方法的基礎。”
“桌面金屬”表示，其X系列產(chǎn)品線(xiàn)，旨在通過(guò)其可重復的開(kāi)放參數和性能，將應用程序從研發(fā)規模擴展到大規模生產(chǎn)。
隨著(zhù)該公司位于猶他州鹽湖城的設施已經(jīng)安裝了小型InnoventX，USNC已經(jīng)開(kāi)發(fā)了其下一代核燃料矩陣，以便在更大的X25Pro和X160Pro系統上進(jìn)行擴展。
“桌面金屬”聯(lián)合創(chuàng )始人兼CEO里克·富洛普(Ric Fulop)表示：“推動(dòng)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(shí)現最具創(chuàng )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(jìn)的壓實(shí)技術(shù)，在粘合劑噴射打印過(guò)程中分配、攤鋪和壓實(shí)粉末。
對于3D打印碳化硅來(lái)說(shuō)，這一過(guò)程是在低溫下進(jìn)行的，這使得USNC能夠在傳統技術(shù)或傳統的基于激光的3D打印方法難以制造的材料中創(chuàng )建復雜的定制形狀。
