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三分钟看懂基于3D打印与化学气相渗透的致密碳化硅陶瓷商业项目
2022年04月19日 发布 分类:行业要闻 点击量:276
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20223月,美国超安全核公司(Ultra Safe Nuclear CorporationUSNC)宣布将其试点燃料制造(PFM)业务选址在田纳西州橡树岭的东田纳西科技园中,项目建设将于夏季启动。试点工厂将制造其专有的全陶瓷微封装(FCMR)核燃料——满足其微型模块化反应堆的能源需求,全陶瓷微封装的核心则是3D打印碳化硅陶瓷。

一、关于MMR

2019年,橡树岭实验室(ORNL)启动一项新型反应堆开发计划(Transformational Challenge Reactor,TCR),初步目标是在2023年之前设计制造并运行一个微型反应堆,并在2026年正式进入核电站运营,超安全核公司(USNC)则是该项目商业化的主体,这种替代传统核反应堆的微型模块化反应堆则注册为MMRR专利。

反应堆组件与示意图

左:反应堆组件 右:微型反应堆示意图

该系统最大的优势在于不使用水,也不需要电网或基础设施支持,可以在任何需要动力的地方建设,随用户需要增减组件,且不怕酷暑严寒。最重要的是该装置可持续运行20年,其核废料则保存在新型封装材料中,所以不会造成环境污染。

二、关于FCM

传统上,核燃料微球被放入软石墨基质中。然而,这些在结构作为放射性核素释放的不良屏障并不坚固。碳化硅不会像传统的石墨基体那样收缩或过度膨胀,并且具有非常高的抗氧化和腐蚀能力,在所有苛刻的条件下提供独特的稳定性核反应堆核心。USNC选择用SiC陶瓷材料替代它们。

ORNL新工艺生产的反应堆堆芯原型

ORNL新工艺生产的反应堆堆芯原型

ORNL发明了一种通过将粘合剂喷射(marrying binder jetting)与化学气相渗透(CVI)相结合,用更高纯度的晶体碳化硅填充多孔SiC结构的新工艺,可实现高度复杂的近净形状,而无需烧结SiC材料和施加任何压力。由于碳化硅的高熔点,它不能用众多依赖高温熔融颗粒的增材制造方法,粘合剂喷射技术则基本上与材料的化学和相结构高度无关,几乎是唯一选项;由CVI制备的先进陶瓷基体纯净,致密且连续,具有高模量和强度。最后,将核燃料粒子包裹在致密的碳化硅基质中,就制成了全陶瓷微封装燃料基本单元;再将其堆叠放入石墨块中,反应堆芯则由数百个这样的石墨块组成,加入控制棒,并由液氦在冷却通道中吸热;再将该核心单元与其他附属组件组合即是MMRR反应堆组件。

碳化硅基础单元基础单元堆叠放入石墨块

左:碳化硅基础单元 右:基础单元堆叠放入石墨块

石墨块组成的反应堆芯反应堆组件内部示意图

左:石墨块组成的反应堆芯 右:反应堆组件内部示意图

小结

3D打印的意义除了便于制备复杂形状的部件,更关键的是可以将传感器嵌入关键结构,便于实时监控反应堆的工况,增强诊断评估效果ORNL利用3D打印和化学气相渗透相技术相结合制备致密碳化硅陶瓷,USNC将其用于推动微型模块化反应堆的商业化,从而实现在高附加领域回馈特种陶瓷的技术研发。


粉体圈 启东

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