借助TRISO燃料和難熔金屬3D打印，塑造新一代更安全、更經(jīng)濟(jì)的核反應(yīng)堆

BWX Technologies（紐約證券交易所代碼：BWXT）剛剛獲得了Battelle Energy Alliance LLC授予的490萬美元的合同修正案，以制造TRISO核燃料。BEA代表能源部管理愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室。根據(jù)修正案的條款，BWXT子公司Nuclear Operations Group， Inc.將生產(chǎn)一定數(shù)量的天然鈾TRISO顆粒，這些顆粒將用于為下一代微反應(yīng)器提供動(dòng)力，以提供安全的核能。

BWXT核運(yùn)營集團(tuán)總裁Joel Duling表示："我們對(duì)TRISO和特種燃料市場(chǎng)的增長(zhǎng)感到興奮和信心，并且隨著我們自2020年春季以來的第三份TRISO燃料生產(chǎn)合同，我們相信這種信心正在得到驗(yàn)證。"我們具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以在燃料，設(shè)計(jì)和制造微反應(yīng)器方面承擔(dān)更多工作。

△一種三氧化二燃料顆粒。TRISO顆粒不能在反應(yīng)堆中熔化，并且可以承受遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)前核燃料閾值的極端溫度。

TRISO是指鈾核反應(yīng)堆燃料的具體設(shè)計(jì)。TRISO是術(shù)語TRIstructural-ISOtropic的縮寫形式。TRIstructural是指鈾燃料周圍的涂層，而ISOTROPIC是指在各個(gè)方向上具有均勻材料特性的涂層，以便保留裂變產(chǎn)物。顆粒非常�。ù蠹s罌粟種子的大小）并且非常堅(jiān)固。它們可以制成圓柱形顆粒球體，用于高溫氣體或熔融鹽冷卻反應(yīng)器。與傳統(tǒng)反應(yīng)堆燃料相比，TRISO燃料在結(jié)構(gòu)上更耐中子輻照、腐蝕、氧化和高溫。每個(gè)顆粒都具備自己的安全殼系統(tǒng)，這要?dú)w功于其三層涂層。這使它們能夠在所有反應(yīng)堆條件下保留裂變產(chǎn)物。簡(jiǎn)而言之，TRISO顆粒不能在反應(yīng)堆中熔化，并且可以承受遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)前核燃料閾值的極端溫度。

TRISO燃料測(cè)試引起了先進(jìn)反應(yīng)堆界的廣泛興趣。一些反應(yīng)堆供應(yīng)商，如X-energy和Kairos Power，以及國防部，正計(jì)劃使用TRISO燃料進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括一些小型模塊化和微型反應(yīng)堆概念。BWXT是目前唯一一家使用生產(chǎn)規(guī)模設(shè)備生產(chǎn)經(jīng)過輻照測(cè)試的鈾氧碳化物TRISO燃料的美國公司。其TRISO生產(chǎn)設(shè)施目前已獲準(zhǔn)生產(chǎn)這種類型的高含量低濃縮鈾（HALEU）燃料，該燃料正在一系列實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。BWXT還在使用能源部和國防部先前宣布的資助設(shè)計(jì)TRISO燃料的微反應(yīng)器。這就是3D打印首次在核領(lǐng)域發(fā)揮作用的地方。

用于3D打印反應(yīng)堆的TRISO燃料

早在2020年3月，BWXT核運(yùn)營集團(tuán)（NOG）就獲得了美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的合同，生產(chǎn)TRISO核燃料，以支持轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆（TCR）的持續(xù)發(fā)展。TCR項(xiàng)目旨在建造一個(gè)增材制造的微反應(yīng)器，并計(jì)劃到2024年投入使用一個(gè)示范廠區(qū)。

NOG是BWXT的子公司，于2019年底開始在其林奇堡（弗吉尼亞州）工廠生產(chǎn)TRISO燃料。"我們正在為先進(jìn)核技術(shù)尋找新市場(chǎng)，這項(xiàng)合同授予具有戰(zhàn)略意義，"BWXT NOG總裁Joel Duling說。"我們對(duì)這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)感到非常高興，并期待與橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和能源部合作，通過一種新穎，低成本，增材制造的核反應(yīng)堆來證明安全和清潔的核能發(fā)電。合同范圍包括鈾仁、TRISO涂層替代材料和TRISO涂層鈾內(nèi)核的制造和交付。ORNL將使用這些材料，因?yàn)樗鼘⒗^續(xù)開發(fā)和原型化反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造工藝。

△BWXT的TRISO生產(chǎn)設(shè)施目前已獲得許可并投入運(yùn)營，并且正在進(jìn)行產(chǎn)能擴(kuò)張

核工業(yè)效益

作為部署3D打印核反應(yīng)堆的一部分，該計(jì)劃還創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)字平臺(tái)，以幫助將該技術(shù)移交給工業(yè)界，以快速采用增材制造的核能技術(shù)。"由于增材制造工藝技術(shù)的重大進(jìn)步，整個(gè)TCR概念成為可能，"Terrani說。"通過使用3D打印，我們可以使用核社區(qū)在過去幾十年中無法利用的技術(shù)和材料。這包括用于近自主控制的傳感器和數(shù)據(jù)庫，以及一種新的和加速的認(rèn)證方法，這將使整個(gè)核社區(qū)受益。但TCR的最終目標(biāo)比單個(gè)反應(yīng)堆更大：它徹底改變核工業(yè)以及其他行業(yè)的制造業(yè)。這意味著外部公司已經(jīng)從ORNL從TCR計(jì)劃中學(xué)到的東西中受益。"當(dāng)我們?yōu)門CR開發(fā)這個(gè)框架時(shí)，我們也在與那些可以從增材制造和數(shù)據(jù)分析技術(shù)中受益的公司合作，以生產(chǎn)組件，"ORNL的沉積科學(xué)和技術(shù)集團(tuán)負(fù)責(zé)人Ryan Dehoff說。"我們已經(jīng)向他們展示了3D打印可以提供的好處 - 特別是在核工業(yè)中 - 現(xiàn)在我們正在與他們合作，開始實(shí)現(xiàn)其中一些優(yōu)勢(shì)。

△在ORNL的能源部制造示范設(shè)施中，為行業(yè)合作伙伴Kairos Power生產(chǎn)的用于縮小反應(yīng)堆原型的部件。圖片來源：Kairos Power

一個(gè)例子是Kairos Power。由于轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆計(jì)劃中采用的技術(shù)相同，ORNL使用增材制造來不斷調(diào)整原型，快速生產(chǎn)一系列零件進(jìn)行測(cè)試。總部位于加利福尼亞州的Kairos還希望在緊迫的時(shí)間內(nèi)開發(fā)創(chuàng)新的核技術(shù)，這使得該公司與ORNL合作，為其自己的反應(yīng)堆原型生產(chǎn)特定部件。該部分是一個(gè)封閉的泵葉輪，是熱交換器回路的一部分，旨在通過熱源移動(dòng)熔鹽。它需要承受高達(dá)600攝氏度的溫度，并且需要與原型的其余部分完美契合，以便其工作方式?jīng)]有變化。它需要具有完全正確的形狀，完全正確的尺寸和完全正確的表面。