借助TRISO燃料和难熔金属3D打印，塑造新一代更安全、更经济的核反应堆

BWX Technologies（纽约证券交易所代码：BWXT）刚刚获得了Battelle Energy Alliance LLC授予的490万美元的合同修正案，以制造TRISO核燃料。BEA代表能源部管理爱达荷国家实验室。根据修正案的条款，BWXT子公司Nuclear Operations Group， Inc.将生产一定数量的天然铀TRISO颗粒，这些颗粒将用于为下一代微反应器提供动力，以提供安全的核能。

BWXT核运营集团总裁Joel Duling表示："我们对TRISO和特种燃料市场的增长感到兴奋和信心，并且随着我们自2020年春季以来的第三份TRISO燃料生产合同，我们相信这种信心正在得到验证。"我们具有独特的优势，可以在燃料，设计和制造微反应器方面承担更多工作。

△一种三氧化二燃料颗粒。TRISO颗粒不能在反应堆中熔化，并且可以承受远远超过当前核燃料阈值的极端温度。

TRISO是指铀核反应堆燃料的具体设计。TRISO是术语TRIstructural-ISOtropic的缩写形式。TRIstructural是指铀燃料周围的涂层，而ISOTROPIC是指在各个方向上具有均匀材料特性的涂层，以便保留裂变产物。颗粒非常小（大约罂粟种子的大小）并且非常坚固。它们可以制成圆柱形颗粒球体，用于高温气体或熔融盐冷却反应器。与传统反应堆燃料相比，TRISO燃料在结构上更耐中子辐照、腐蚀、氧化和高温。每个颗粒都具备自己的安全壳系统，这要归功于其三层涂层。这使它们能够在所有反应堆条件下保留裂变产物。简而言之，TRISO颗粒不能在反应堆中熔化，并且可以承受远远超过当前核燃料阈值的极端温度。

TRISO燃料测试引起了先进反应堆界的广泛兴趣。一些反应堆供应商，如X-energy和Kairos Power，以及国防部，正计划使用TRISO燃料进行设计，包括一些小型模块化和微型反应堆概念。BWXT是目前唯一一家使用生产规模设备生产经过辐照测试的铀氧碳化物TRISO燃料的美国公司。其TRISO生产设施目前已获准生产这种类型的高含量低浓缩铀（HALEU）燃料，该燃料正在一系列实验中进行验证。BWXT还在使用能源部和国防部先前宣布的资助设计TRISO燃料的微反应器。这就是3D打印首次在核领域发挥作用的地方。

用于3D打印反应堆的TRISO燃料

早在2020年3月，BWXT核运营集团（NOG）就获得了美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）的合同，生产TRISO核燃料，以支持转型挑战反应堆（TCR）的持续发展。TCR项目旨在建造一个增材制造的微反应器，并计划到2024年投入使用一个示范厂区。

NOG是BWXT的子公司，于2019年底开始在其林奇堡（弗吉尼亚州）工厂生产TRISO燃料。"我们正在为先进核技术寻找新市场，这项合同授予具有战略意义，"BWXT NOG总裁Joel Duling说。"我们对这个奖项感到非常高兴，并期待与橡树岭国家实验室和能源部合作，通过一种新颖，低成本，增材制造的核反应堆来证明安全和清洁的核能发电。合同范围包括铀仁、TRISO涂层替代材料和TRISO涂层铀内核的制造和交付。ORNL将使用这些材料，因为它将继续开发和原型化反应堆的设计和先进制造工艺。

△BWXT的TRISO生产设施目前已获得许可并投入运营，并且正在进行产能扩张

核工业效益

作为部署3D打印核反应堆的一部分，该计划还创建了一个数字平台，以帮助将该技术移交给工业界，以快速采用增材制造的核能技术。"由于增材制造工艺技术的重大进步，整个TCR概念成为可能，"Terrani说。"通过使用3D打印，我们可以使用核社区在过去几十年中无法利用的技术和材料。这包括用于近自主控制的传感器和数据库，以及一种新的和加速的认证方法，这将使整个核社区受益。但TCR的最终目标比单个反应堆更大：它彻底改变核工业以及其他行业的制造业。这意味着外部公司已经从ORNL从TCR计划中学到的东西中受益。"当我们为TCR开发这个框架时，我们也在与那些可以从增材制造和数据分析技术中受益的公司合作，以生产组件，"ORNL的沉积科学和技术集团负责人Ryan Dehoff说。"我们已经向他们展示了3D打印可以提供的好处 - 特别是在核工业中 - 现在我们正在与他们合作，开始实现其中一些优势。

△在ORNL的能源部制造示范设施中，为行业合作伙伴Kairos Power生产的用于缩小反应堆原型的部件。图片来源：Kairos Power

一个例子是Kairos Power。由于转型挑战反应堆计划中采用的技术相同，ORNL使用增材制造来不断调整原型，快速生产一系列零件进行测试。总部位于加利福尼亚州的Kairos还希望在紧迫的时间内开发创新的核技术，这使得该公司与ORNL合作，为其自己的反应堆原型生产特定部件。该部分是一个封闭的泵叶轮，是热交换器回路的一部分，旨在通过热源移动熔盐。它需要承受高达600摄氏度的温度，并且需要与原型的其余部分完美契合，以便其工作方式没有变化。它需要具有完全正确的形状，完全正确的尺寸和完全正确的表面。