奔向零碳能源：超安全核公司（USNC）如何利用3D打印生产FCM燃料

2023年1月4日，南极熊获悉，前橡树岭国家实验室(ORNL)国家技术总监，现任西雅图超安全核公司（USNC）主任Kurt Terrani近期接受新闻媒体采访表示，他认为超安全核公司正处于核燃料和反应堆设计的“前沿”，它们的全陶瓷微封装 (FCM) 核燃料的商业化发展，将成为美国和其它地区“零碳能源技术的分水岭”。

△超安全核公司（USNC）利用Desktop Metal3D打印技术开发FCM燃料

粘合剂喷射3D打印技术
支持公司雄心壮志的是ExOne的粘合剂喷射技术，该技术促进了超安全核公司FCM燃料制造的关键步骤。该公司正在积极研究两个方向。第一个是核反应堆设计，只要存在重力并且热流体上升到顶部而冷流体流到底部，就本质上是安全的。二是FCM燃料形式，为放射性核素释放带来多重屏障，保障核安全。

超安全核公司看到了行业标准TRISO燃料，它包含层状陶瓷涂层内裂变的放射性副产品，包裹在完全致密的碳化物基体中。Terrani解释说：“打个比方，整个游戏就是要把辐射留在核反应堆堆芯内。在一些传统设计中，人们建造了大型容器和大型混凝土密封圆顶，但该公司早就决定将这种负担转移到燃料本身，所以他们制造了直径约为一毫米的小燃料颗粒，并在它们周围涂上各种陶瓷涂层。”

从历史上看，燃料颗粒可能会被放置在碳胶中，使小型压力容器粘合在一起，但这被认为对放射性核素释放没有太大好处。所以，减轻这种释放是USNC的目标，为了实现这一目标，该公司试图将燃料颗粒放置在碳化硅外壳中，这种外壳在机械、热和环境方面都是稳定的。以前，制造高纯度碳化硅一直是一个挑战，但3D打印被认为是促进USNC转型的重要技术。

粘合剂喷射3D打印是这里的解决方案，因为它能够在室温下处理材料。碳化硅会在更高的温度下开始解离，因此可以排除使用电子束或激光束的工艺。

△USNC设施内的工程师

一种使能技术
Terrani继续说道：“我们使用粘合剂射流在极其复杂的结构中形成碳化硅，这项技术的独特之处在于它为您提供了完整的3D自由度。通过3D打印技术，你可以在一定的空间内制造零件，但使用粘合剂喷射，任何类型的几何形状都是可以实现的。因此，我们将这种高度多孔的碳化硅，用于另一个称为化学气相渗透的过程。我们有一个由彼此粘合的碳化硅颗粒组成的身体。我们选择非常纯净、高度结晶的碳化硅。然后当你加热它时，少量的粘合剂会消失。然后，通过化学气相渗透在孔隙中沉积更多的碳化硅。”

在化学气相渗透过程中，碳化硅结构被倒入炉中，更多的碳化硅被用来填充所有的开放空间。结果是“相对致密、表面完全密封、坚固且具有非常复杂几何形状的高纯度碳化硅”形成了壳，成为超安全核公司FCM燃料形式的一部分。这些来自ExOne粘合剂喷射3D打印机的数千个燃料元件，在打印过程中集成了独特的条形码，使该公司能够管理质量。从外面看，这些元素看起来像一大块碳化硅，但在内部，燃料颗粒以一种非常特殊的方式排列，在适用的地方集成了冷却通道等功能化结构。

△去年8月份，Ultra首席执行官Venneri、ORNL副实验室主任McCarthy、国会议员Fleischman、参议员Blackburn、职员Ivens。助理部长Huff和TN副州长McNally与特别嘉宾，共同参观了超安全核公司新的试点燃料制造设施

然后，这些燃料颗粒被用于USNC的微型模块化反应堆 (MMR) 能源系统，超安全核公司认为其MMR设计对比其它商业反应堆中，具有最低的功率密度和最高的表面积与功率比。当多个MMR系统连接在一起时，它们将能够为化工厂、大型工业场所、偏远社区和整个城市提供能源动力。目前正在荷兰的一座反应堆中进行测试，加拿大正在为计划于2026年用于首个核电项目。

Terrani认为，以前的反应堆设计一直受到传统制造工艺的限制，例如构成传统轻水反应堆的棒材阵列，因为制造商不想为每根棒材更换模具，所以只能统一生产。3D打印在这里为超安全核公司提供了另一种解决方案，就像它在FCM燃料形式的碳化硅外壳上所做的那样。