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FCM燃料“撞上”3D打印,唤醒核能低碳化未来

文章和图片来源:        时间:2023.02.20        点击率:

  前橡树岭国家实验室(ORNL) 的国家技术总监Kurt Terrani,目前正担任Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) 公司总监,他近期接受了TCT的专访,表示USNC正处于核燃料和反应堆设计的技术前沿,以及其全陶瓷微胶囊 (FCM) 燃料的商业可用性,划分了美国和其他地区零碳能源制造的分水岭。


Kurt Terrani

  ExOne的粘合剂喷射技术成为了支持USNC促进FCM燃料制造的关键步骤。同时,USNC也正在致力研究两种方向,第一种是核反应堆设计,只要存在重力,热流体上升到顶部,而冷流体下降到底部,核反应堆设计本质上是安全的。第二种是FCM燃料形式,它为放射性核素释放带来多重障碍,保障核安全。

  USNC从FCM燃料形式上看到了工业标准的TRISO燃料的优势,它含有分层陶瓷涂层中裂变的放射性副产物,包裹在完全致密的碳化物基质中。Terrani解释道:“其实整个过程就是将辐射保留在核反应堆堆芯内。在一些常规设计中,一般会通过建造大型水库和大型混凝土穹顶,但将负担转移至燃料本身一直是人们的共识,所以制造了直径约为一毫米的燃料小颗粒,并在其周围涂上了各种陶瓷涂层。”


  从历史上看,燃料颗粒可能被放置在碳胶中,使小型压力容器粘合在一起。为了缓解释放,USNC公司试图将燃料颗粒放置在碳化硅外壳中,而这种外壳在机械、热和环境方面都具有稳定性。一直以来,制造高纯度碳化硅是一项挑战,但增材制造被认为是促进USNC公司转型的有利技术。

  粘合剂喷射3D打印能够在室温下处理材料,而碳化硅在较高温度下会发生分解,因此可以排除使用电子束或激光束的工艺。

  Terrani继续说道:“我们使用粘合剂喷射实现了结构及其复杂的碳化硅成型,这项技术的独到之处就在于可提供完全的3D自由。因为多数情况下,应用增材制造技术制作零件受到一定的空间限制,但使用粘合剂喷射可以实现任何类型的几何形状。于是,我们将这种高度多孔碳化硅用于另一个称为化学气相渗透工艺。通过加热纯净、高度结晶的碳化硅,少量的粘合剂就会消失。接着,通过化学气相渗透工艺,在孔隙中沉积更多的碳化硅。”


  在化学气相渗透工艺过程中,碳化硅结构在炉中反应后会填充所有的开放空间,从而形成“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”,形成的外壳成为USNC公司FCM燃料形式的一部分。

  对于ExOne的粘合剂喷射3D打印机上的数千个燃料元件,在打印过程中集成了独特的条形码,以此实现产品质量可追溯。从外部看,这些元素看起来像一块碳化硅,但在内部,燃料颗粒以一种非常特殊的方式排列,以便在适用的地方集成冷却通道等结构。