核燃料是核能技术发展的重要元件，从第一代核反应堆诞生至今，人们相继研发了UO2、UN、UC、UMo合金等裂变核心，Zr、Mo、SiC、FeCrAl等燃料包壳，球形TRISO、FCM、MOX等燃料元件，并在不同类型的核反应堆中得到了实证检验。但由于成本和安全性等问题，目前，大规模应用的核燃料元件只有UO2-Zr体系，全球几乎所有的压水堆核电站都是用这种核燃料元件。

2011年的日本福岛核事故，暴露了UO2-Zr体系的潜在风险。为了增强压水堆的安全性，人们提出了事故容错核燃料（ATF）的概念，重点改进现有核燃料元件的核心芯块和包壳，提高耐受温度，增强其在核事故下的安全性。

随着第四代核反应堆的发展，三元结构各向同性包覆核燃料颗粒（TRISO）得到了快速发展。TRISO的燃料核心外有四个包覆层，相当于为每个核燃料颗粒提供了一个“安全壳”，使其可以耐受上千摄氏度的高温，是高温堆的重要核燃料。同时，使用TRISO颗粒制造的FCM柱状核燃料也是ATF的发展方向之一。

除了ATF和TRISO外，国外还在积极研发MOX、Th、UMo合金等核燃料，可广泛应用于压水堆、空间堆，并回收乏燃料中可用裂变核素。

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核能的发展及反应原理

世界采矿大会的数据显示，目前世界已探明煤炭储量可供世界各国开采112年。其中，美国可开采240年，俄罗斯则将近470年，而中国只有33年。

自2015年以来，我国天然气、水电、核电、风电清洁能源的消费占比以稳健态势上升,从18%已增长到23 .4%,这种趋势表明，我国的能源结构正在不断地优化。核能是历史上的重要发现，也是我国开启能源革命必不可少的发力者之一。

1954年，前苏联建成了世界上第一座原子能发电站，它利用浓缩铀作燃料，采用石墨水冷堆，能将电输出功率控制在5000千瓦。自那时开始，"核能发电” 不再只是理论中的知识，而成了应用领域中的现实。

传统的核反应堆一般是以核裂变的方式，从字面上来解释，核裂变就是原子核分裂时释放出巨大能量的过程，具体的反应原理是：铀、钍等放射性的重元素原子核，自身裂解成其他轻元素的原子核，同时释放出巨大的能量。

以铀元素发生的核裂变反应为例：235U+1n→137Ba+97Kr+2n。其中元素前面的数字不是“化学计量数”，而是质量数，U为铀、Ba为钡、Kr为氪、n为中子。原子 弹爆 炸的反应就是用1个中子轰击1个铀原子核发生裂变，同时释放出的2个中子再继续轰击其他的铀原子核，形成链式反应，爆发出惊人的破坏力。

而核聚变就是原子核合并在一起时释放出巨大能量的过程，原理是：氢元素这种轻元素的原子核，相互结合成为原子质量更大的较重的原子核，同时释放出中子，产生巨大的能量。虽然都是原子能，但是核聚变产生的能量要大得多。

相比核裂变还会产生放射性的核废料，核聚变是非常清洁的核反应，几乎不会对环境产生任何的污染。如果人类能够实现可控核聚变，那么就可以不必依赖化石能源。

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四代核燃料

超安全核能公司（Ultra-Safe Nuclear，USNC）最近在美国开设了两座新工厂，用于制造新型核燃料的核心材料及其TRISO基全陶瓷微胶囊燃料。

超安全核能公司的全陶瓷微胶囊燃料（图源：网络）

目前，四代核电反应堆的设计、许可、建造和部署正在稳步进行。

为了满足碳排放消除的需要，同时提供稳定可靠的电力供应，新核能日益增长的势头高昂。

全球各国和组织几乎每周都会宣布核技术方面的进步，能源发电协议以及各种四代反应堆设计的发展。

当市场评估下一代核方案时，无论是小型模块化反应堆（SMR）还是微型反应堆，重点往往是核电站的硬件设施。

反应堆及其相关配套设备当然很重要，但这只是等式的一半——为这些反应堆提供动力的燃料同样至关重要。

核燃料设计正在不断进步，并受益于新方法和现代技术发展。然而，如果新的核能要取得成功，就必须为这些先进燃料建立稳定、可靠的供应链。

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提高核燃料性能和安全性

TRISO包覆核燃料颗粒的结构

四代核电设计中最常见的燃料形式是三结构各向同性（TRISO）燃料颗粒。

近几十年来的研究，TRISO燃料颗粒的高温放射性核素保留能力得到了进一步的改进。

在核工业界，TRISO长期以来一直广受好评，因为该燃料制造高效，并具有一致的性能特征。

TRISO可以与四代反应堆的非能动排热系统相结合，也是许多SMR和微反应堆系统的基础技术。

在USNC，研究人员正利用全陶瓷微胶囊（FCM）的TRISO燃料验证安全性和辐照性能。

通过将单个TRISO燃料颗粒嵌入耐火碳化硅（SiC）陶瓷中，在不降低性能的情况下提高了安全性。

作为一种即使在高温应用中也具有极高环境稳定性的陶瓷技术，FCM燃料中的SiC基质，是对历史上石墨基质燃料的一种改进，非常适合用于四代反应堆。

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石墨基质燃料与SiC基体

石墨基质燃料表现出复杂的辐照行为——最初收缩，然后膨胀——因此材料随时间会出现降解。

石墨基质也容易氧化，在可能泄漏到反应堆冷却剂中的微量空气或水分的情况下，很容易就降解掉。

相比之下，FCM中的SiC基体表现出众所周知的有限膨胀行为，能够承受极高的辐射剂量，同时保持其结构和强度。

SiC还具有优异的空气和蒸汽抗氧化性，并且极耐环境退化。

SiC的放射性核素保留行为是最重要的考虑因素。

SiC涂层是TRISO球形燃料颗粒中放射性核素释放的主要屏障，通过将TRISO颗粒嵌入SiC基质中，FCM燃料中TRISO燃料的放射性核素保留率显著提高，这是一个额外的强放射性核素释放屏障。

SiC固有的事故耐受性和燃料中极低的放射性核素释放率是强大的安全优势。

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部署燃料制造设施

USNC最近在美国开设了两家工厂，生产其核心材料和FCM燃料。

这些设施完全通过USNC的私人资本融资，这证明了该公司对提供稳定和可靠的燃料供应链的坚定承诺。

ACM工厂

这两个工厂中的第一个——先进陶瓷制造（ACM）——是犹他州盐湖城的一个非放射性制造单位。

ACM设施于2021投入运行，致力于为USNC的微反应堆制造非放射性陶瓷组件。

ACM的许多制造技术都得到了USNC专有陶瓷添加剂制造技术（粘合剂喷射添加剂制造和化学蒸汽渗透的结合）的支持，该技术是由之前在美国能源部（DOE）橡树岭国家实验室（ORNL）工作的一些USNC员工开发的。

USNC授权该技术用于FCM燃料和非燃料高级陶瓷组件的制造。

ACM设施拥有USNC目前的大部分粘合剂喷射添加剂制造和化学蒸汽渗透系统。这些系统可提供从0.5l到150l不等的生产能力。

这些能力应用于SiC、碳化锆（ZrC）和各种金属氢化物的生产。

这些特种陶瓷的制造能力支持USNC微型模块化反应堆（MMR）及其空间相关核能系统的部署。

PFM工厂

第二个设施是试验燃料制造（PFM）工厂，位于东田纳西州科技园（ETTP）8.7英亩的场地上，原是曼哈顿项目的K-25气体扩散工厂所在地。

PFM是一家放射性制造单位，致力于TRISO燃料颗粒和FCM燃料的中试规模制造。

该公司将于2022年年中投入运营，其生产的燃料制造模块，可以把原料铀加工成TRISO燃料颗粒，然后生产多公斤数量的FCM燃料。

试验燃料制造厂的USNC员工与施工工长讨论TRISO燃料涂层模块的安装。

PFM工厂是一个系列制造过程：

溶液凝胶化形成铀凝胶球；

将凝胶球煅烧并烧结成致密的铀燃料核；

流化床化学气相沉积，用于包覆内核并产生TRISO燃料颗粒；

将TRISO装入SiC壳体中；

最终致密化以生产FCM燃料。

PFM设施的目标之一是全面建立和编纂生产TRISO和FCM燃料的生产模块，以支持模块在USNC未来商业规模核燃料制造设施中的部署。

PFM设施选址涉及选址调查，以确保该地点劳动力充足，实现区域协同效应。

PFM靠近ORNL和DOE国家核安全管理局的Y-12国家安全综合体，通过世界级的燃料特性和铀物流能力来加强PFM设施的运营。

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监管方面的考虑

TRISO和FCM燃料制造工艺与轻水反应堆燃料制造工艺有很大不同，使用的材料、化学品和工艺具有独特的要求。

制定和执行合理的许可战略需要付出额外的努力，并尽早与监管机构进行互动。

幸运的是，这些监管机构认识到，他们必须与先进的反应堆开发商有效合作，以确保最高水平的公共安全，并使工业基地能够从轻水反应堆过渡到新的核电机组。

USNC应用添加剂技术制造FCM燃料形式的SiC基质，允许燃料设计通过独特的跟踪和监测能力进行几何优化，提高系统安全性和性能。

目标是将FCM建立为一种灵活的燃料体系结构，以实现一系列核心设计。

USNC认为，随着燃料供应链的发展，基于包覆颗粒燃料的FCM架构将用于USNC MMR以及其他SMR和MMR。

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燃料鉴定

USNC PFM设施的近期目标是生产一批TRISO和FCM燃料，用于其资格认证计划，以支持MMR许可。

该合格燃料批次计划于2023年在荷兰的Petten反应堆进行辐照试验。该结果将是鉴定MMR和其他先进反应堆中使用的FCM燃料的组成部分。

浓缩度大于5wt%的低浓缩铀（LEU）是四代反应堆燃料的关键。对这一系列HALEU（高含量低浓缩铀）的需求仍然很明显，需要政府和非政府组织采取协调行动。

他们正在努力建立这种原料供应的可靠性。考虑到当今的地缘政治，这些材料必须来自可靠的供应商。

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粘合剂喷射3D打印技术

总部位于马萨诸塞州的“桌面金属”公司（Desktop Metal）与USNC合作，从其X系列粘合剂喷射系统中为该公司提供两台3D打印机。预计今年还会有两台机器。

金属和陶瓷粉末打印机可以3D打印SiC等高级材料。

“对于我们复杂的批量生产，粘结剂喷射是一种低成本、高产量、可靠的工艺，”执行官Kurt Terrani说道。

USNC核心部门副总裁表示：“这些机器的先进材料性能是我们创新燃料设计方法的基础。”

“桌面金属”表示，其X系列产品线，旨在通过其可重复的开放参数和性能，将应用程序从研发规模扩展到大规模生产。

随着该公司位于犹他州盐湖城的设施已经安装了小型InnoventX，USNC已经开发了其下一代核燃料矩阵，以便在更大的X25Pro和X160Pro系统上进行扩展。

“桌面金属”联合创始人兼CEO里克·富洛普（Ric Fulop）表示：“推动大规模采用添加剂制造，需要能够打印高性能材料的可扩展系统，以实现最具创新性的应用。”。

X系列3D打印机有三种型号，即InnoventX、X25Pro和X160Pro，并使用先进的压实技术，在粘合剂喷射打印过程中分配、摊铺和压实粉末。

对于3D打印碳化硅来说，这一过程是在低温下进行的，这使得USNC能够在传统技术或传统的基于激光的3D打印方法难以制造的材料中创建复杂的定制形状。

本文来源：嘿嘿能源heypower，化浪网，高端装备科技信息研究中心