奔向零碳能源：超安全核公司（USNC）如何利用3D打印生產(chǎn)FCM燃料

2023年1月4日，南極熊獲悉，前橡樹嶺國家實驗室(ORNL)國家技術(shù)總監(jiān)，現(xiàn)任西雅圖超安全核公司（USNC）主任Kurt Terrani近期接受新聞媒體采訪表示，他認為超安全核公司正處于核燃料和反應(yīng)堆設(shè)計的“前沿”，它們的全陶瓷微封裝 (FCM) 核燃料的商業(yè)化發(fā)展，將成為美國和其它地區(qū)“零碳能源技術(shù)的分水嶺”。

△超安全核公司（USNC）利用Desktop Metal3D打印技術(shù)開發(fā)FCM燃料

粘合劑噴射3D打印技術(shù)
支持公司雄心壯志的是ExOne的粘合劑噴射技術(shù)，該技術(shù)促進了超安全核公司FCM燃料制造的關(guān)鍵步驟。該公司正在積極研究兩個方向。第一個是核反應(yīng)堆設(shè)計，只要存在重力并且熱流體上升到頂部而冷流體流到底部，就本質(zhì)上是安全的。二是FCM燃料形式，為放射性核素釋放帶來多重屏障，保障核安全。

超安全核公司看到了行業(yè)標(biāo)準TRISO燃料，它包含層狀陶瓷涂層內(nèi)裂變的放射性副產(chǎn)品，包裹在完全致密的碳化物基體中。Terrani解釋說：“打個比方，整個游戲就是要把輻射留在核反應(yīng)堆堆芯內(nèi)。在一些傳統(tǒng)設(shè)計中，人們建造了大型容器和大型混凝土密封圓頂，但該公司早就決定將這種負擔(dān)轉(zhuǎn)移到燃料本身，所以他們制造了直徑約為一毫米的小燃料顆粒，并在它們周圍涂上各種陶瓷涂層。”

從歷史上看，燃料顆?？赡軙环胖迷谔寄z中，使小型壓力容器粘合在一起，但這被認為對放射性核素釋放沒有太大好處。所以，減輕這種釋放是USNC的目標(biāo)，為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，該公司試圖將燃料顆粒放置在碳化硅外殼中，這種外殼在機械、熱和環(huán)境方面都是穩(wěn)定的。以前，制造高純度碳化硅一直是一個挑戰(zhàn)，但3D打印被認為是促進USNC轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)。

粘合劑噴射3D打印是這里的解決方案，因為它能夠在室溫下處理材料。碳化硅會在更高的溫度下開始解離，因此可以排除使用電子束或激光束的工藝。

△USNC設(shè)施內(nèi)的工程師

一種使能技術(shù)
Terrani繼續(xù)說道：“我們使用粘合劑射流在極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中形成碳化硅，這項技術(shù)的獨特之處在于它為您提供了完整的3D自由度。通過3D打印技術(shù)，你可以在一定的空間內(nèi)制造零件，但使用粘合劑噴射，任何類型的幾何形狀都是可以實現(xiàn)的。因此，我們將這種高度多孔的碳化硅，用于另一個稱為化學(xué)氣相滲透的過程。我們有一個由彼此粘合的碳化硅顆粒組成的身體。我們選擇非常純凈、高度結(jié)晶的碳化硅。然后當(dāng)你加熱它時，少量的粘合劑會消失。然后，通過化學(xué)氣相滲透在孔隙中沉積更多的碳化硅。”

在化學(xué)氣相滲透過程中，碳化硅結(jié)構(gòu)被倒入爐中，更多的碳化硅被用來填充所有的開放空間。結(jié)果是“相對致密、表面完全密封、堅固且具有非常復(fù)雜幾何形狀的高純度碳化硅”形成了殼，成為超安全核公司FCM燃料形式的一部分。這些來自ExOne粘合劑噴射3D打印機的數(shù)千個燃料元件，在打印過程中集成了獨特的條形碼，使該公司能夠管理質(zhì)量。從外面看，這些元素看起來像一大塊碳化硅，但在內(nèi)部，燃料顆粒以一種非常特殊的方式排列，在適用的地方集成了冷卻通道等功能化結(jié)構(gòu)。

△去年8月份，Ultra首席執(zhí)行官Venneri、ORNL副實驗室主任McCarthy、國會議員Fleischman、參議員Blackburn、職員Ivens。助理部長Huff和TN副州長McNally與特別嘉賓，共同參觀了超安全核公司新的試點燃料制造設(shè)施

然后，這些燃料顆粒被用于USNC的微型模塊化反應(yīng)堆 (MMR) 能源系統(tǒng)，超安全核公司認為其MMR設(shè)計對比其它商業(yè)反應(yīng)堆中，具有最低的功率密度和最高的表面積與功率比。當(dāng)多個MMR系統(tǒng)連接在一起時，它們將能夠為化工廠、大型工業(yè)場所、偏遠社區(qū)和整個城市提供能源動力。目前正在荷蘭的一座反應(yīng)堆中進行測試，加拿大正在為計劃于2026年用于首個核電項目。

Terrani認為，以前的反應(yīng)堆設(shè)計一直受到傳統(tǒng)制造工藝的限制，例如構(gòu)成傳統(tǒng)輕水反應(yīng)堆的棒材陣列，因為制造商不想為每根棒材更換模具，所以只能統(tǒng)一生產(chǎn)。3D打印在這里為超安全核公司提供了另一種解決方案，就像它在FCM燃料形式的碳化硅外殼上所做的那樣。