超安全核能公司(Ultra-Safe Nuclear，USNC)最近在美國開設(shè)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(yīng)堆的設(shè)計、許可、建造和部署正在穩(wěn)步進(jìn)行。
為了滿足碳排放消除的需要，同時提供穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)，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(shù)方面的進(jìn)步，能源發(fā)電協(xié)議以及各種四代反應(yīng)堆設(shè)計的發(fā)展。
當(dāng)市場評估下一代核方案時，無論是小型模塊化反應(yīng)堆(SMR)還是微型反應(yīng)堆，重點(diǎn)往往是核電站的硬件設(shè)施。
反應(yīng)堆及其相關(guān)配套設(shè)備當(dāng)然很重要，但這只是等式的一半——為這些反應(yīng)堆提供動力的燃料同樣至關(guān)重要。
核燃料設(shè)計正在不斷進(jìn)步，并受益于新方法和現(xiàn)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(wěn)定、可靠的供應(yīng)鏈。
2、提高核燃料性能和安全性
四代核電設(shè)計中最常見的燃料形式是三結(jié)構(gòu)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(jìn)一步的改進(jìn)。
在核工業(yè)界，TRISO長期以來一直廣受好評，因?yàn)樵撊剂现圃旄咝?，并具有一致的性能特征?br />
TRISO可以與四代反應(yīng)堆的非能動排熱系統(tǒng)相結(jié)合，也是許多SMR和微反應(yīng)堆系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)。
在USNC，研究人員正利用全陶瓷微膠囊(FCM)的TRISO燃料驗(yàn)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(yīng)用中也具有極高環(huán)境穩(wěn)定性的陶瓷技術(shù)，F(xiàn)CM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(yīng)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生產(chǎn)的添加劑制造SiC外殼。
石墨基質(zhì)燃料表現(xiàn)出復(fù)雜的輻照行為——最初收縮，然后膨脹——因此材料隨時間會出現(xiàn)降解。
石墨基質(zhì)也容易氧化，在可能泄漏到反應(yīng)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，F(xiàn)CM中的SiC基體表現(xiàn)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(jié)構(gòu)和強(qiáng)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，通過將TRISO顆粒嵌入SiC基質(zhì)中，F(xiàn)CM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(qiáng)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(qiáng)大的安全優(yōu)勢。
4、部署燃料制造設(shè)施
USNC高級陶瓷制造廠員工操作大型化學(xué)蒸汽滲透反應(yīng)器。
USNC最近在美國開設(shè)了兩家工廠，生產(chǎn)其核心材料和FCM燃料。
這些設(shè)施完全通過USNC的私人資本融資，這證明了該公司對提供穩(wěn)定和可靠的燃料供應(yīng)鏈的堅定承諾。
ACM工廠
這兩個工廠中的第一個——先進(jìn)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(shè)施于2021投入運(yùn)行，致力于為USNC的微反應(yīng)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(jié)合)的支持，該技術(shù)是由之前在美國能源部(DOE)橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)工作的一些USNC員工開發(fā)的。
USNC授權(quán)該技術(shù)用于FCM燃料和非燃料高級陶瓷組件的制造。
ACM設(shè)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(tǒng)。這些系統(tǒng)可提供從0.5l到150l不等的生產(chǎn)能力。
這些能力應(yīng)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(yīng)堆(MMR)及其空間相關(guān)核能系統(tǒng)的部署。
PFM工廠
USNC的試驗(yàn)燃料制造廠位于田納西州東部技術(shù)園區(qū)。
第二個設(shè)施是試驗(yàn)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(xiàng)目的K-25氣體擴(kuò)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(guī)模制造。
該公司將于2022年年中投入運(yùn)營，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(shù)量的FCM燃料。
試驗(yàn)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(jié)成致密的鈾燃料核;
流化床化學(xué)氣相沉積，用于包覆內(nèi)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(shè)施的目標(biāo)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未來商業(yè)規(guī)模核燃料制造設(shè)施中的部署。
PFM設(shè)施選址涉及選址調(diào)查，以確保該地點(diǎn)勞動力充足，實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)同效應(yīng)。
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(qiáng)PFM設(shè)施的運(yùn)營。
5、監(jiān)管方面的考慮
TRISO和FCM燃料制造工藝與輕水反應(yīng)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(dú)特的要求。
制定和執(zhí)行合理的許可戰(zhàn)略需要付出額外的努力，并盡早與監(jiān)管機(jī)構(gòu)進(jìn)行互動。
幸運(yùn)的是，這些監(jiān)管機(jī)構(gòu)認(rèn)識到，他們必須與先進(jìn)的反應(yīng)堆開發(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(yīng)堆過渡到新的核電機(jī)組。
USNC應(yīng)用添加劑技術(shù)制造FCM燃料形式的SiC基質(zhì)，允許燃料設(shè)計通過獨(dú)特的跟蹤和監(jiān)測能力進(jìn)行幾何優(yōu)化，提高系統(tǒng)安全性和性能。
目標(biāo)是將FCM建立為一種靈活的燃料體系結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)一系列核心設(shè)計。
USNC認(rèn)為，隨著燃料供應(yīng)鏈的發(fā)展，基于包覆顆粒燃料的FCM架構(gòu)將用于USNC MMR以及其他SMR和MMR。
6、燃料鑒定
USNC PFM設(shè)施的近期目標(biāo)是生產(chǎn)一批TRISO和FCM燃料，用于其資格認(rèn)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(yīng)堆進(jìn)行輻照試驗(yàn)。該結(jié)果將是鑒定MMR和其他先進(jìn)反應(yīng)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(yīng)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(diào)行動。
他們正在努力建立這種原料供應(yīng)的可靠性?？紤]到當(dāng)今的地緣政治，這些材料必須來自可靠的供應(yīng)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(tǒng)中為該公司提供兩臺3D打印機(jī)。預(yù)計今年還會有兩臺機(jī)器。
金屬和陶瓷粉末打印機(jī)可以3D打印SiC等高級材料。
“對于我們復(fù)雜的批量生產(chǎn)，粘結(jié)劑噴射是一種低成本、高產(chǎn)量、可靠的工藝，”執(zhí)行官Kurt Terrani說道。
USNC核心部門副總裁表示：“這些機(jī)器的先進(jìn)材料性能是我們創(chuàng)新燃料設(shè)計方法的基礎(chǔ)。”
“桌面金屬”表示，其X系列產(chǎn)品線，旨在通過其可重復(fù)的開放參數(shù)和性能，將應(yīng)用程序從研發(fā)規(guī)模擴(kuò)展到大規(guī)模生產(chǎn)。
隨著該公司位于猶他州鹽湖城的設(shè)施已經(jīng)安裝了小型InnoventX，USNC已經(jīng)開發(fā)了其下一代核燃料矩陣，以便在更大的X25Pro和X160Pro系統(tǒng)上進(jìn)行擴(kuò)展。
“桌面金屬”聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO里克·富洛普(Ric Fulop)表示：“推動大規(guī)模采用添加劑制造，需要能夠打印高性能材料的可擴(kuò)展系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)最具創(chuàng)新性的應(yīng)用。”。
X系列3D打印機(jī)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程中分配、攤鋪和壓實(shí)粉末。
對于3D打印碳化硅來說，這一過程是在低溫下進(jìn)行的，這使得USNC能夠在傳統(tǒng)技術(shù)或傳統(tǒng)的基于激光的3D打印方法難以制造的材料中創(chuàng)建復(fù)雜的定制形狀。
（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(yīng)堆的設(shè)計、許可、建造和部署正在穩(wěn)步進(jìn)行。
為了滿足碳排放消除的需要，同時提供穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)，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(shù)方面的進(jìn)步，能源發(fā)電協(xié)議以及各種四代反應(yīng)堆設(shè)計的發(fā)展。
當(dāng)市場評估下一代核方案時，無論是小型模塊化反應(yīng)堆(SMR)還是微型反應(yīng)堆，重點(diǎn)往往是核電站的硬件設(shè)施。
反應(yīng)堆及其相關(guān)配套設(shè)備當(dāng)然很重要，但這只是等式的一半——為這些反應(yīng)堆提供動力的燃料同樣至關(guān)重要。
核燃料設(shè)計正在不斷進(jìn)步，并受益于新方法和現(xiàn)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(wěn)定、可靠的供應(yīng)鏈。
2、提高核燃料性能和安全性
四代核電設(shè)計中最常見的燃料形式是三結(jié)構(gòu)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(jìn)一步的改進(jìn)。
在核工業(yè)界，TRISO長期以來一直廣受好評，因?yàn)樵撊剂现圃旄咝?，并具有一致的性能特征?br />
TRISO可以與四代反應(yīng)堆的非能動排熱系統(tǒng)相結(jié)合，也是許多SMR和微反應(yīng)堆系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)。
在USNC，研究人員正利用全陶瓷微膠囊(FCM)的TRISO燃料驗(yàn)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(yīng)用中也具有極高環(huán)境穩(wěn)定性的陶瓷技術(shù)，F(xiàn)CM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(yīng)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生產(chǎn)的添加劑制造SiC外殼。
石墨基質(zhì)燃料表現(xiàn)出復(fù)雜的輻照行為——最初收縮，然后膨脹——因此材料隨時間會出現(xiàn)降解。
石墨基質(zhì)也容易氧化，在可能泄漏到反應(yīng)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，F(xiàn)CM中的SiC基體表現(xiàn)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(jié)構(gòu)和強(qiáng)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，通過將TRISO顆粒嵌入SiC基質(zhì)中，F(xiàn)CM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(qiáng)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(qiáng)大的安全優(yōu)勢。
4、部署燃料制造設(shè)施
USNC高級陶瓷制造廠員工操作大型化學(xué)蒸汽滲透反應(yīng)器。
USNC最近在美國開設(shè)了兩家工廠，生產(chǎn)其核心材料和FCM燃料。
這些設(shè)施完全通過USNC的私人資本融資，這證明了該公司對提供穩(wěn)定和可靠的燃料供應(yīng)鏈的堅定承諾。
ACM工廠
這兩個工廠中的第一個——先進(jìn)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(shè)施于2021投入運(yùn)行，致力于為USNC的微反應(yīng)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(jié)合)的支持，該技術(shù)是由之前在美國能源部(DOE)橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)工作的一些USNC員工開發(fā)的。
USNC授權(quán)該技術(shù)用于FCM燃料和非燃料高級陶瓷組件的制造。
ACM設(shè)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(tǒng)。這些系統(tǒng)可提供從0.5l到150l不等的生產(chǎn)能力。
這些能力應(yīng)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(yīng)堆(MMR)及其空間相關(guān)核能系統(tǒng)的部署。
PFM工廠
USNC的試驗(yàn)燃料制造廠位于田納西州東部技術(shù)園區(qū)。
第二個設(shè)施是試驗(yàn)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(xiàng)目的K-25氣體擴(kuò)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(guī)模制造。
該公司將于2022年年中投入運(yùn)營，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(shù)量的FCM燃料。
試驗(yàn)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(jié)成致密的鈾燃料核;
流化床化學(xué)氣相沉積，用于包覆內(nèi)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(shè)施的目標(biāo)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未來商業(yè)規(guī)模核燃料制造設(shè)施中的部署。
PFM設(shè)施選址涉及選址調(diào)查，以確保該地點(diǎn)勞動力充足，實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)同效應(yīng)。
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(qiáng)PFM設(shè)施的運(yùn)營。
5、監(jiān)管方面的考慮
TRISO和FCM燃料制造工藝與輕水反應(yīng)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(dú)特的要求。
制定和執(zhí)行合理的許可戰(zhàn)略需要付出額外的努力，并盡早與監(jiān)管機(jī)構(gòu)進(jìn)行互動。
幸運(yùn)的是，這些監(jiān)管機(jī)構(gòu)認(rèn)識到，他們必須與先進(jìn)的反應(yīng)堆開發(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(yīng)堆過渡到新的核電機(jī)組。
USNC應(yīng)用添加劑技術(shù)制造FCM燃料形式的SiC基質(zhì)，允許燃料設(shè)計通過獨(dú)特的跟蹤和監(jiān)測能力進(jìn)行幾何優(yōu)化，提高系統(tǒng)安全性和性能。
目標(biāo)是將FCM建立為一種靈活的燃料體系結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)一系列核心設(shè)計。
USNC認(rèn)為，隨著燃料供應(yīng)鏈的發(fā)展，基于包覆顆粒燃料的FCM架構(gòu)將用于USNC MMR以及其他SMR和MMR。
6、燃料鑒定
USNC PFM設(shè)施的近期目標(biāo)是生產(chǎn)一批TRISO和FCM燃料，用于其資格認(rèn)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(yīng)堆進(jìn)行輻照試驗(yàn)。該結(jié)果將是鑒定MMR和其他先進(jìn)反應(yīng)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(yīng)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(diào)行動。
他們正在努力建立這種原料供應(yīng)的可靠性?？紤]到當(dāng)今的地緣政治，這些材料必須來自可靠的供應(yīng)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(tǒng)中為該公司提供兩臺3D打印機(jī)。預(yù)計今年還會有兩臺機(jī)器。
金屬和陶瓷粉末打印機(jī)可以3D打印SiC等高級材料。
“對于我們復(fù)雜的批量生產(chǎn)，粘結(jié)劑噴射是一種低成本、高產(chǎn)量、可靠的工藝，”執(zhí)行官Kurt Terrani說道。
USNC核心部門副總裁表示：“這些機(jī)器的先進(jìn)材料性能是我們創(chuàng)新燃料設(shè)計方法的基礎(chǔ)。”
“桌面金屬”表示，其X系列產(chǎn)品線，旨在通過其可重復(fù)的開放參數(shù)和性能，將應(yīng)用程序從研發(fā)規(guī)模擴(kuò)展到大規(guī)模生產(chǎn)。
隨著該公司位于猶他州鹽湖城的設(shè)施已經(jīng)安裝了小型InnoventX，USNC已經(jīng)開發(fā)了其下一代核燃料矩陣，以便在更大的X25Pro和X160Pro系統(tǒng)上進(jìn)行擴(kuò)展。
“桌面金屬”聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO里克·富洛普(Ric Fulop)表示：“推動大規(guī)模采用添加劑制造，需要能夠打印高性能材料的可擴(kuò)展系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)最具創(chuàng)新性的應(yīng)用。”。
X系列3D打印機(jī)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程中分配、攤鋪和壓實(shí)粉末。
對于3D打印碳化硅來說，這一過程是在低溫下進(jìn)行的，這使得USNC能夠在傳統(tǒng)技術(shù)或傳統(tǒng)的基于激光的3D打印方法難以制造的材料中創(chuàng)建復(fù)雜的定制形狀。
