借助TRISO燃料和難熔金屬3D打印，塑造新一代更安全、更經濟的核反應堆
時間：2022-02-02 09:36 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
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荷國家實驗室。根據修正案的條款，BWXT子公司Nuclear Operations Group， Inc.將生產一定數量的天然鈾TRISO顆粒，這些顆粒將用于為下一代微反應器提供動力，以提供安全的核能。
BWXT核運營集團總裁Joel
Duling表示："我們對TRISO和特種燃料市場的增長感到興奮和信心，并且隨著我們自2020年春季以來的第三份TRISO燃料生產合同，我們相信這種信心正在得到驗證。"我們具有獨特的優勢，可以在燃料，設計和制造微反應器方面承擔更多工作。
TRISO是指鈾核反應堆燃料的具體設計。TRISO是術語TRIstructural-ISOtropic的縮寫形式。TRIstructural是指鈾燃料周圍的涂層，而ISOTROPIC是指在各個方向上具有均勻材料特性的涂層，以便保留裂變產物。顆粒非常小（大約罌粟種子的大小）并且非常堅固。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器。與傳統反應堆燃料相比，TRISO燃料在結構上更耐中子輻照、腐蝕、氧化和高溫。每個顆粒都具備自己的安全殼系統，這要歸功于其三層涂層。這使它們能夠在所有反應堆條件下保留裂變產物。簡而言之，TRISO顆粒不能在反應堆中熔化，并且可以承受遠遠超過當前核燃料閾值的極端溫度。
TRISO燃料測試引起了先進反應堆界的廣泛興趣。一些反應堆供應商，如X-energy和Kairos Power，以及國防部，正計劃使用TRISO燃料進行設計，包括一些小型模塊化和微型反應堆概念。BWXT是目前唯一一家使用生產規模設備生產經過輻照測試的鈾氧碳化物TRISO燃料的美國公司。其TRISO生產設施目前已獲準生產這種類型的高含量低濃縮鈾（HALEU）燃料，該燃料正在一系列實驗中進行驗證。BWXT還在使用能源部和國防部先前宣布的資助設計TRISO燃料的微反應器。這就是3D打印首次在核領域發揮作用的地方。
用于3D打印反應堆的TRISO燃料
早在2020年3月，BWXT核運營集團（NOG）就獲得了美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的合同，生產TRISO核燃料，以支持轉型挑戰反應堆（TCR）的持續發展。TCR項目旨在建造一個增材制造的微反應器，并計劃到2024年投入使用一個示范廠區。
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TRISO燃料。"我們正在為先進核技術尋找新市場，這項合同授予具有戰略意義，"BWXT NOG總裁Joel Duling說。"我們對這個獎項感到非常高興，并期待與橡樹嶺國家實驗室和能源部合作，通過一種新穎，低成本，增材制造的核反應堆來證明安全和清潔的核能發電。合同范圍包括鈾仁、TRISO涂層替代材料和TRISO涂層鈾內核的制造和交付。ORNL將使用這些材料，因為它將繼續開發和原型化反應堆的設計和先進制造工藝。
核工業效益
作為部署3D打印核反應堆的一部分，該計劃還創建了一個數字平臺，以幫助將該技術移交給工業界，以快速采用增材制造的核能技術。"由于增材制造工藝技術的重大進步，整個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在過去幾十年中無法利用的技術和材料。這包括用于近自主控制的傳感器和數據庫，以及一種新的和加速的認證方法，這將使整個核社區受益。但TCR的最終目標比單個反應堆更大：它徹底改變核工業以及其他行業的制造業。這意味著外部公司已經從ORNL從TCR計劃中學到的東西中受益。"當我們為TCR開發這個框架時，我們也在與那些可以從增材制造和數據分析技術中受益的公司合作，以生產組件，"ORNL的沉積科學和技術集團負責人Ryan Dehoff說。"我們已經向他們展示了3D打印可以提供的好處 - 特別是在核工業中 - 現在我們正在與他們合作，開始實現其中一些優勢。
一個例子是Kairos Power。由于轉型挑戰反應堆計劃中采用的技術相同，ORNL使用增材制造來不斷調整原型，快速生產一系列零件進行測試。總部位于加利福尼亞州的Kairos還希望在緊迫的時間內開發創新的核技術，這使得該公司與ORNL合作，為其自己的反應堆原型生產特定部件。該部分是一個封閉的泵葉輪，是熱交換器回路的一部分，旨在通過熱源移動熔鹽。它需要承受高達600攝氏度的溫度，并且需要與原型的其余部分完美契合，以便其工作方式沒有變化。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。
△一種三氧化二燃料顆粒。TRISO顆粒不能在反應堆中熔化，并且可以承受遠遠超過當前核燃料閾值的極端溫度。
TRISO是指鈾核反應堆燃料的具體設計。TRISO是術語TRIstructural-ISOtropic的縮寫形式。TRIstructural是指鈾燃料周圍的涂層，而ISOTROPIC是指在各個方向上具有均勻材料特性的涂層，以便保留裂變產物。顆粒非常小（大約罌粟種子的大小）并且非常堅固。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器。與傳統反應堆燃料相比，TRISO燃料在結構上更耐中子輻照、腐蝕、氧化和高溫。每個顆粒都具備自己的安全殼系統，這要歸功于其三層涂層。這使它們能夠在所有反應堆條件下保留裂變產物。簡而言之，TRISO顆粒不能在反應堆中熔化，并且可以承受遠遠超過當前核燃料閾值的極端溫度。
TRISO燃料測試引起了先進反應堆界的廣泛興趣。一些反應堆供應商，如X-energy和Kairos Power，以及國防部，正計劃使用TRISO燃料進行設計，包括一些小型模塊化和微型反應堆概念。BWXT是目前唯一一家使用生產規模設備生產經過輻照測試的鈾氧碳化物TRISO燃料的美國公司。其TRISO生產設施目前已獲準生產這種類型的高含量低濃縮鈾（HALEU）燃料，該燃料正在一系列實驗中進行驗證。BWXT還在使用能源部和國防部先前宣布的資助設計TRISO燃料的微反應器。這就是3D打印首次在核領域發揮作用的地方。
用于3D打印反應堆的TRISO燃料
早在2020年3月，BWXT核運營集團（NOG）就獲得了美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的合同，生產TRISO核燃料，以支持轉型挑戰反應堆（TCR）的持續發展。TCR項目旨在建造一個增材制造的微反應器，并計劃到2024年投入使用一個示范廠區。
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TRISO燃料。"我們正在為先進核技術尋找新市場，這項合同授予具有戰略意義，"BWXT NOG總裁Joel Duling說。"我們對這個獎項感到非常高興，并期待與橡樹嶺國家實驗室和能源部合作，通過一種新穎，低成本，增材制造的核反應堆來證明安全和清潔的核能發電。合同范圍包括鈾仁、TRISO涂層替代材料和TRISO涂層鈾內核的制造和交付。ORNL將使用這些材料，因為它將繼續開發和原型化反應堆的設計和先進制造工藝。
△BWXT的TRISO生產設施目前已獲得許可并投入運營，并且正在進行產能擴張
核工業效益
作為部署3D打印核反應堆的一部分，該計劃還創建了一個數字平臺，以幫助將該技術移交給工業界，以快速采用增材制造的核能技術。"由于增材制造工藝技術的重大進步，整個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在過去幾十年中無法利用的技術和材料。這包括用于近自主控制的傳感器和數據庫，以及一種新的和加速的認證方法，這將使整個核社區受益。但TCR的最終目標比單個反應堆更大：它徹底改變核工業以及其他行業的制造業。這意味著外部公司已經從ORNL從TCR計劃中學到的東西中受益。"當我們為TCR開發這個框架時，我們也在與那些可以從增材制造和數據分析技術中受益的公司合作，以生產組件，"ORNL的沉積科學和技術集團負責人Ryan Dehoff說。"我們已經向他們展示了3D打印可以提供的好處 - 特別是在核工業中 - 現在我們正在與他們合作，開始實現其中一些優勢。
△在ORNL的能源部制造示范設施中，為行業合作伙伴Kairos Power生產的用于縮小反應堆原型的部件。圖片來源：Kairos Power
一個例子是Kairos Power。由于轉型挑戰反應堆計劃中采用的技術相同，ORNL使用增材制造來不斷調整原型，快速生產一系列零件進行測試。總部位于加利福尼亞州的Kairos還希望在緊迫的時間內開發創新的核技術，這使得該公司與ORNL合作，為其自己的反應堆原型生產特定部件。該部分是一個封閉的泵葉輪，是熱交換器回路的一部分，旨在通過熱源移動熔鹽。它需要承受高達600攝氏度的溫度，并且需要與原型的其余部分完美契合，以便其工作方式沒有變化。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。
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