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三分鐘看懂基于3D打印與化學氣相滲透的致密碳化硅陶瓷商業項目
2022年04月19日 發布 分類:行業要聞 點擊量:94
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20223月,美國超安全核公司(Ultra Safe Nuclear CorporationUSNC)宣布將其試點燃料制造(PFM)業務選址在田納西州橡樹嶺的東田納西科技園中,項目建設將于夏季啟動。試點工廠將制造其專有的全陶瓷微封裝(FCMR)核燃料——滿足其微型模塊化反應堆的能源需求,全陶瓷微封裝的核心則是3D打印碳化硅陶瓷。

一、關于MMR

2019年,橡樹嶺實驗室(ORNL)啟動一項新型反應堆開發計劃(Transformational Challenge Reactor,TCR),初步目標是在2023年之前設計制造并運行一個微型反應堆,并在2026年正式進入核電站運營,超安全核公司(USNC)則是該項目商業化的主體,這種替代傳統核反應堆的微型模塊化反應堆則注冊為MMRR專利。

反應堆組件與示意圖

左:反應堆組件 右:微型反應堆示意圖

該系統最大的優勢在于不使用水,也不需要電網或基礎設施支持,可以在任何需要動力的地方建設,隨用戶需要增減組件,且不怕酷暑嚴寒。最重要的是該裝置可持續運行20年,其核廢料則保存在新型封裝材料中,所以不會造成環境污染。

二、關于FCM

傳統上,核燃料微球被放入軟石墨基質中。然而,這些在結構作為放射性核素釋放的不良屏障并不堅固。碳化硅不會像傳統的石墨基體那樣收縮或過度膨脹,并且具有非常高的抗氧化和腐蝕能力,在所有苛刻的條件下提供獨特的穩定性核反應堆核心。USNC選擇用SiC陶瓷材料替代它們。

ORNL新工藝生產的反應堆堆芯原型

ORNL新工藝生產的反應堆堆芯原型

ORNL發明了一種通過將粘合劑噴射(marrying binder jetting)與化學氣相滲透(CVI)相結合,用更高純度的晶體碳化硅填充多孔SiC結構的新工藝,可實現高度復雜的近凈形狀,而無需燒結SiC材料和施加任何壓力。由于碳化硅的高熔點,它不能用眾多依賴高溫熔融顆粒的增材制造方法,粘合劑噴射技術則基本上與材料的化學和相結構高度無關,幾乎是唯一選項;由CVI制備的先進陶瓷基體純凈,致密且連續,具有高模量和強度。最后,將核燃料粒子包裹在致密的碳化硅基質中,就制成了全陶瓷微封裝燃料基本單元;再將其堆疊放入石墨塊中,反應堆芯則由數百個這樣的石墨塊組成,加入控制棒,并由液氦在冷卻通道中吸熱;再將該核心單元與其他附屬組件組合即是MMRR反應堆組件。

碳化硅基礎單元基礎單元堆疊放入石墨塊

左:碳化硅基礎單元 右:基礎單元堆疊放入石墨塊

石墨塊組成的反應堆芯反應堆組件內部示意圖

左:石墨塊組成的反應堆芯 右:反應堆組件內部示意圖

小結

3D打印的意義除了便于制備復雜形狀的部件,更關鍵的是可以將傳感器嵌入關鍵結構,便于實時監控反應堆的工況,增強診斷評估效果ORNL利用3D打印和化學氣相滲透相技術相結合制備致密碳化硅陶瓷,USNC將其用于推動微型模塊化反應堆的商業化,從而實現在高附加領域回饋特種陶瓷的技術研發。


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