新開發(fā)的HT-SMR項(xiàng)目需要HTR燃料技術(shù)的支持，從而取代化石燃料并應(yīng)對氣候變化。復(fù)興幾十年前首次開發(fā)的HTR燃料技術(shù)為新一代低碳工業(yè)熱處理打開了大門。

1、應(yīng)對氣候變化

HTR燃料元件在兩個(gè)連續(xù)的熔爐中進(jìn)行碳化和退火，在那里進(jìn)行硬化處理。

在本世紀(jì)，建立一支可靠的高溫小型模塊化反應(yīng)堆(HT-SMR)隊(duì)伍，通過取代化石燃料，是應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵戰(zhàn)略。

隨著全球平均氣溫的上升，對能源的需求不斷增加，核電再次被視為一種清潔能源，尤其是在國際社會努力減少二氧化碳總排放方面。

截至目前，一些國家和公司正在推廣高溫堆(HTR)技術(shù)，特別是由于其獨(dú)特的固有安全特性。

這些特征是基于反應(yīng)堆概念和燃料設(shè)計(jì)本身。因此，許多正在出現(xiàn)的小型模塊化反應(yīng)堆(SMR)設(shè)計(jì)也基于HTR技術(shù)。

2、HT-SMR

上：包含球形燃料元件的TRISO燃料結(jié)構(gòu)，下：不同長度的圓柱形燃料壓塊(左)和NUKEM的球床球形燃料元件(右)

SMR的概念反映了人類在提高安全性的同時(shí)降低核電站復(fù)雜性的夢想。重點(diǎn)在于減小反應(yīng)堆的尺寸(與既定設(shè)計(jì)相比)。

當(dāng)滿足這一要求時(shí)，可以解決模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和增加設(shè)計(jì)集成的問題。更集成的設(shè)計(jì)降低了復(fù)雜性和組件數(shù)量。標(biāo)準(zhǔn)化包括能夠更靈活地部署反應(yīng)堆，減少現(xiàn)場和電網(wǎng)限制。

幾乎所有已知的反應(yīng)堆概念，從已建立的概念到四代堆設(shè)計(jì)，都可以設(shè)計(jì)為SMR。國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)將其定義為每個(gè)模塊最高300 MWe的反應(yīng)堆。類似的考慮也適用于微型反應(yīng)堆，其功率要求低于SMR范圍。

四代堆設(shè)計(jì)是高溫氣冷反應(yīng)堆(HTGR)的繼任者——超高溫反應(yīng)堆(VHTR)。

HTGR和VHTR設(shè)計(jì)都使用石墨作為慢化劑和反射器，氦氣作為主要冷卻劑。VTHR的主要應(yīng)用是同步制氫和發(fā)電。這是由可能的更高出口溫度實(shí)現(xiàn)的：高溫氣冷堆的溫度最高可達(dá)750℃，而VHTR預(yù)計(jì)將達(dá)到約1000℃。

HT-SMR相對較高的溫度為各種化學(xué)過程打開了大門，而這些化學(xué)過程在較低的溫度下是不可行的。

一個(gè)例子是使用高溫水電解生產(chǎn)氫氣。這使得化石燃料可以替代工藝熱量，并解決了當(dāng)前二氧化碳排放的一大來源。

然而，如果不解決安全問題，HTR和SMR的技術(shù)優(yōu)勢就毫無價(jià)值。

除了SMR概念本身固有的安全特性外，還有HTR特有的優(yōu)勢。SMR特有的固有安全特性，一般來說，是基于可裂變材料較少、復(fù)雜性較低的縮小設(shè)計(jì)。

HTR設(shè)計(jì)的固有安全特性也發(fā)揮了作用。一個(gè)是裂變產(chǎn)物的保留，HTR燃料規(guī)范的嚴(yán)格要求已經(jīng)確保了這一點(diǎn)。

TRISO燃料的關(guān)鍵特征是，所有裂變材料都封裝在耐用碳化硅(SiC)和熱解碳層中。

最重要的是，堆芯熔毀實(shí)際上是不可能的，因?yàn)榧词箾]有主動氦冷卻回路，產(chǎn)生的熱量也能夠被動地消散到環(huán)境中。

這得益于小的堆芯功率密度(與壓水堆相比)以及石墨基堆芯本身的大熱容和溫度穩(wěn)定性。

因此，HTR概念適合與SMR的技術(shù)優(yōu)勢、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化潛力、增加設(shè)計(jì)集成和縮小尺寸相結(jié)合。

高質(zhì)量TRISO燃料的可用性是所有HTR的關(guān)鍵。HTR典型的高出口溫度也可用于迄今為止使用化石燃料產(chǎn)生的熱量化學(xué)或其他工業(yè)過程。

3、HTR燃料

NUKEM HTR TRISO燃料生產(chǎn)廠的結(jié)構(gòu)

每臺HTR的關(guān)鍵部件是其按照嚴(yán)格規(guī)定生產(chǎn)的燃料，這使其能夠以全性能運(yùn)行。

從20世紀(jì)60年代初開始，歐洲和美國對HTR及其相關(guān)燃料進(jìn)行了研究和開發(fā)。

在歐洲，工作集中在英國和德國。德國HTR計(jì)劃于20世紀(jì)60年代初啟動，是民用核開發(fā)計(jì)劃的一部分。

例如，在該計(jì)劃中，NUKEM專注于燃料元件的設(shè)計(jì)、燃料規(guī)格、燃料制造工藝的開發(fā)以及HTR燃料的實(shí)際生產(chǎn)。

在20世紀(jì)70年代和80年代，NUKEM的100%子公司HOBEG(Hochtemperaturreaktor-Brennelement GmbH)為Ju¨lich的AVR實(shí)驗(yàn)核電站制造和供應(yīng)了超過250,000個(gè)球形燃料元件，并為德國Hamm Uentrop的釷高溫反應(yīng)堆(THTR-300)制造和供應(yīng)超過1,000,000個(gè)燃料元件。

基于高度系統(tǒng)化的方法和制定生產(chǎn)過程的特殊質(zhì)量控制程序，對燃料質(zhì)量進(jìn)行了持續(xù)提升，并制定了質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

因此，在最小裂變產(chǎn)物釋放方面，HTR燃料質(zhì)量達(dá)到了最高水平，并且仍然代表著今天的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

德國實(shí)驗(yàn)性AVR(始于1961年)是隨后的球床HTR的起源，如德國THTR-300(始于1971年)、中國實(shí)驗(yàn)性反應(yīng)堆HTR-10(始于1995年)、其發(fā)電前身HTR-PM(始于2012年，每臺250 MWt)和南非PBMR(因財(cái)務(wù)原因從未建造，400 MWt)。

PBMR和HTR-PM是HT-SMR的例子，它們都使用基于HOBEG/NUKEM球床制造工藝的球形燃料元件。

與“德國起源”的球床反應(yīng)堆不同，還有另一個(gè)基于圓柱形燃料壓塊的概念，該燃料壓塊源自英國的實(shí)驗(yàn)性龍堆(1960年開始建造，20 MWt)。

燃料壓塊布置在棱柱形燃料組件中——通常是一個(gè)六邊形石墨塊，帶有填充圓柱形燃料壓塊的桿狀開口。

圓柱形壓塊或球床形式的HTR燃料由許多直徑約0.5毫米的小鈾核組成。鈾可以是純二氧化鈾或碳氧化鈾(UCO)的形式，后者是二氧化鈾與一定比例的碳化鈾的混合物。

雖然德國釷高溫反應(yīng)堆(THTR-300)使用了添加釷的高濃縮鈾(93%的高濃縮鈾)，但由于存在擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)，目前只使用濃縮水平較低的鈾。

高含量低濃縮鈾(HALEU)是用來描述富集度在5%至20%之間的鈾的術(shù)語，通常用于現(xiàn)代先進(jìn)反應(yīng)堆，包括HTR。

每個(gè)氧化鈾或碳化物核都涂有幾層熱解碳(PyC)以及耐用的碳化硅(SiC)層。雖然內(nèi)部PyC層是多孔的，能夠吸收氣態(tài)裂變產(chǎn)物，但致密的外部PyC層形成了防止裂變產(chǎn)物釋放的屏障。

SiC層提高了該阻擋層的機(jī)械強(qiáng)度，從而提高了對某些裂變產(chǎn)物的保留能力。

經(jīng)過驗(yàn)證的德國TRISO球形燃料，基于NUKEM設(shè)計(jì)，已經(jīng)證明了最佳的裂變產(chǎn)物釋放率，特別是在高溫下。

TRISO顆粒在100µm尺度上的橫截面(圖源：愛達(dá)荷州國家實(shí)驗(yàn)室)

濃縮鈾TRISO顆粒包含在一個(gè)成型的石墨球中。NUKEM燃料球由大約9克鈾(大約15,000個(gè)TRISO涂層內(nèi)核)組成，直徑為60毫米，燃料球的總質(zhì)量為210克。

在最近的項(xiàng)目中，NUKEM還開發(fā)了基于相同TRISO燃料內(nèi)核的圓柱形緊湊型燃料。

圓柱形壓塊的典型長度約為25毫米，直徑約為12毫米。每一塊含有約1.2克鈾(約3,000個(gè)TRISO涂層內(nèi)核)。

4、HTR燃料生產(chǎn)

HTR燃料生產(chǎn)工藝可分為四個(gè)主要的燃料生產(chǎn)工藝區(qū)，以及兩個(gè)回收區(qū)，用于從液體工藝廢水中回收鈾和其他有價(jià)值的材料，以及不合規(guī)格的固體燃料材料。

在內(nèi)核生產(chǎn)設(shè)施中，將新鮮的U3O8粉末溶解在硝酸(HNO3)中，并與特殊化學(xué)品混合，形成粘稠的二鈾酸銨(ADU)溶液。

將該溶液滴注(振動滴注)，由許多小液滴形成微球，然后將其凝膠化、干燥和煅燒，形成UO3。

UO3被還原成UO2并燒結(jié)成核。在UCO核的情況下，使用類似的工藝來部分形成碳化鈾。

在涂層設(shè)施內(nèi)，內(nèi)核使用化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝獲得四層涂層，生產(chǎn)TRISO涂層顆粒。

在燃料緊湊型(或球形)生產(chǎn)設(shè)施中，TRISO涂層顆粒涂有一層基質(zhì)石墨粉末(MGP)。

根據(jù)所需的填充分?jǐn)?shù)，將MGP涂層顆粒與額外的基質(zhì)石墨粉末一起加入壓制模具中，該填充分?jǐn)?shù)決定了TRISO涂層顆粒相對于總?cè)剂显w積的體積分?jǐn)?shù)。

生成的燃料元件隨后在兩個(gè)連續(xù)的熔爐中進(jìn)行碳化和退火，從而顯著硬化。

完成燃料球的情況下，是最后的燃料元件生產(chǎn)步驟，現(xiàn)在可以將其引入燃料組件。燃料壓塊首先插入棱柱形石墨塊內(nèi)的桿狀開口中，以產(chǎn)生最終的燃料組件。

兩個(gè)回收區(qū)，一方面確保濃縮鈾在處理過程中幾乎不會丟失，另一方面確保所需的化學(xué)品盡可能經(jīng)常地重復(fù)使用。

廢液中的所有微量鈾在以凈化廢水的形式排放之前都會被回收。

生產(chǎn)過程中的液體廢水在廢水處理設(shè)施中進(jìn)行回收和清潔。

主要目的是回收工藝液體，以便在內(nèi)核生產(chǎn)設(shè)施中重復(fù)使用。生產(chǎn)過程不同階段的廢料——包括內(nèi)核、涂層的內(nèi)核和不合規(guī)格的燃料元件，以及其他含鈾材料——在鈾回收設(shè)施中回收，形成U3O8，準(zhǔn)備在內(nèi)核生產(chǎn)設(shè)施中重復(fù)使用。

HTR燃料元件生產(chǎn)廠作為一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行，該系統(tǒng)旨在接近從原料U3O8到最終燃料塊或球體的100%總鈾產(chǎn)量;從而接近零排放。

已安裝的質(zhì)量控制程序，確保了只有符合規(guī)范的中間產(chǎn)品(鈾核和TRISO涂層顆粒)才能用于制造必須通過最終質(zhì)量控制步驟的燃料塊或球體。

5、HTR生產(chǎn)裝置的改進(jìn)

21世紀(jì)初，人們可能對球床反應(yīng)堆產(chǎn)生了進(jìn)一步的興趣，因此NUKEM重新啟用了以前負(fù)責(zé)HOBEG燃料生產(chǎn)廠開發(fā)和相鄰商業(yè)運(yùn)營的關(guān)鍵人員。這種獨(dú)特的技術(shù)在NUKEM HTR燃料技術(shù)的復(fù)興中發(fā)揮了重要作用。

NUKEM主要在球床模塊化反應(yīng)堆(PBMR)燃料廠的設(shè)計(jì)過程中開發(fā)了最新的TRISO燃料生產(chǎn)工藝。

PBMR燃料廠(PFP)最初將在約翰內(nèi)斯堡附近建造，旨在為南非第一個(gè)PBMR提供燃料。

反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)是基于燃料規(guī)格和燃料元件與德國燃料的等效性。這種等效性對于燃料鑒定非常重要，因?yàn)镴u¨lich研究中心于20世紀(jì)80年代在德國AVR反應(yīng)堆中對前NUKEM燃料進(jìn)行了長期輻照試驗(yàn)。

在最近的燃料廠設(shè)計(jì)過程中，包括PMBR，該工藝根據(jù)最先進(jìn)的國際規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)不斷升級。

一般來說，重點(diǎn)從管理臨界安全控制轉(zhuǎn)移到技術(shù)控制，即盡可能應(yīng)用安全幾何形狀。

與防止裂變材料關(guān)鍵構(gòu)型發(fā)生的行政措施相比，幾何安全設(shè)備的實(shí)施更為優(yōu)越。最大安全設(shè)備尺寸是為某些最壞情況確定的——這些限制在核燃料生產(chǎn)廠的整個(gè)幾何安全區(qū)域內(nèi)執(zhí)行。

前NUKEM/HOBEG的許多設(shè)備都經(jīng)過了重新設(shè)計(jì)，并考慮到了安全的幾何形狀。

在最近的燃料廠項(xiàng)目中，在臨界安全和輻射防護(hù)方面，還制定了幾乎完全回收鈾和化學(xué)品以及凈化和凈化液體和氣體流出物的工藝。

現(xiàn)有TRISO燃料生產(chǎn)技術(shù)的重要復(fù)興、對現(xiàn)代技術(shù)和最先進(jìn)安全要求的考慮，是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工程任務(wù)，NUKEM于2000年代末完成了這項(xiàng)任務(wù)。

本世紀(jì)的主要目標(biāo)是不斷取代化石燃料。這可以通過建立一支HTR車隊(duì)來實(shí)現(xiàn)。特別是HT-SMR，它結(jié)合了HTR和SMR的優(yōu)點(diǎn)。

SMR可以非常靈活地部署在工藝熱需求高的工業(yè)集群地區(qū)，NUKEM已準(zhǔn)備好為新興的HT-SMR機(jī)隊(duì)提供燃料。

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