2022年3月，美國超安全核公司(Ultra Safe Nuclear Corporation，USNC)宣布將其試點燃料制造(PFM)業(yè)務(wù)選址在田納西州橡樹嶺的東田納西科技園中，項目建設(shè)將于夏季啟動。試點工廠將制造其專有的全陶瓷微封裝（FCMR）核燃料——滿足其微型模塊化反應(yīng)堆的能源需求，全陶瓷微封裝的核心則是3D打印碳化硅陶瓷。

一、關(guān)于MMR

2019年，橡樹嶺實驗室（ORNL）啟動一項新型反應(yīng)堆開發(fā)計劃（Transformational Challenge Reactor，TCR），初步目標是在2023年之前設(shè)計制造并運行一個微型反應(yīng)堆，并在2026年正式進入核電站運營，超安全核公司（USNC）則是該項目商業(yè)化的主體，這種替代傳統(tǒng)核反應(yīng)堆的微型模塊化反應(yīng)堆則注冊為MMRR專利。

左：反應(yīng)堆組件 右：微型反應(yīng)堆示意圖

該系統(tǒng)最大的優(yōu)勢在于不使用水，也不需要電網(wǎng)或基礎(chǔ)設(shè)施支持，可以在任何需要動力的地方建設(shè)，隨用戶需要增減組件，且不怕酷暑嚴寒。最重要的是該裝置可持續(xù)運行20年，其核廢料則保存在新型封裝材料中，所以不會造成環(huán)境污染。

二、關(guān)于FCM

傳統(tǒng)上，核燃料微球被放入軟石墨基質(zhì)中。然而，這些在結(jié)構(gòu)作為放射性核素釋放的不良屏障并不堅固。碳化硅不會像傳統(tǒng)的石墨基體那樣收縮或過度膨脹，并且具有非常高的抗氧化和腐蝕能力，在所有苛刻的條件下提供獨特的穩(wěn)定性核反應(yīng)堆核心。USNC選擇用SiC陶瓷材料替代它們。

ORNL新工藝生產(chǎn)的反應(yīng)堆堆芯原型

ORNL發(fā)明了一種通過將粘合劑噴射（marrying binder jetting）與化學(xué)氣相滲透（CVI）相結(jié)合，用更高純度的晶體碳化硅填充多孔SiC結(jié)構(gòu)的新工藝，可實現(xiàn)高度復(fù)雜的近凈形狀，而無需燒結(jié)SiC材料和施加任何壓力。由于碳化硅的高熔點，它不能用眾多依賴高溫熔融顆粒的增材制造方法，粘合劑噴射技術(shù)則基本上與材料的化學(xué)和相結(jié)構(gòu)高度無關(guān)，幾乎是唯一選項；由CVI制備的先進陶瓷基體純凈，致密且連續(xù)，具有高模量和強度。最后，將核燃料粒子包裹在致密的碳化硅基質(zhì)中，就制成了全陶瓷微封裝燃料基本單元；再將其堆疊放入石墨塊中，反應(yīng)堆芯則由數(shù)百個這樣的石墨塊組成，加入控制棒，并由液氦在冷卻通道中吸熱；再將該核心單元與其他附屬組件組合即是MMRR反應(yīng)堆組件。

左：碳化硅基礎(chǔ)單元 右：基礎(chǔ)單元堆疊放入石墨塊

左：石墨塊組成的反應(yīng)堆芯 右：反應(yīng)堆組件內(nèi)部示意圖

小結(jié)

3D打印的意義除了便于制備復(fù)雜形狀的部件，更關(guān)鍵的是可以將傳感器嵌入關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，便于實時監(jiān)控反應(yīng)堆的工況，增強診斷評估效果。ORNL利用3D打印和化學(xué)氣相滲透相技術(shù)相結(jié)合制備致密碳化硅陶瓷，USNC將其用于推動微型模塊化反應(yīng)堆的商業(yè)化，從而實現(xiàn)在高附加領(lǐng)域回饋特種陶瓷的技術(shù)研發(fā)。

粉體圈 啟東

本文為粉體圈原創(chuàng)作品，未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載，也不得歪曲、篡改或復(fù)制本文內(nèi)容，否則本公司將依法追究法律責(zé)任。