HT-SMR核燃料如何生产？

新开发的HT-SMR项目需要HTR燃料技术的支持，从而取代化石燃料并应对气候变化。复兴几十年前首次开发的HTR燃料技术为新一代低碳工业热处理打开了大门。

1、应对气候变化

HTR燃料元件在两个连续的熔炉中进行碳化和退火，在那里进行硬化处理。

在本世纪，建立一支可靠的高温小型模块化反应堆(HT-SMR)队伍，通过取代化石燃料，是应对气候变化的关键战略。

随着全球平均气温的上升，对能源的需求不断增加，核电再次被视为一种清洁能源，尤其是在国际社会努力减少二氧化碳总排放方面。

截至目前，一些国家和公司正在推广高温堆(HTR)技术，特别是由于其独特的固有安全特性。

这些特征是基于反应堆概念和燃料设计本身。因此，许多正在出现的小型模块化反应堆(SMR)设计也基于HTR技术。

2、HT-SMR

上：包含球形燃料元件的TRISO燃料结构，下：不同长度的圆柱形燃料压块(左)和NUKEM的球床球形燃料元件(右)

SMR的概念反映了人类在提高安全性的同时降低核电站复杂性的梦想。重点在于减小反应堆的尺寸(与既定设计相比)。

当满足这一要求时，可以解决模块化、标准化和增加设计集成的问题。更集成的设计降低了复杂性和组件数量。标准化包括能够更灵活地部署反应堆，减少现场和电网限制。

几乎所有已知的反应堆概念，从已建立的概念到四代堆设计，都可以设计为SMR。国际原子能机构(IAEA)将其定义为每个模块最高300 MWe的反应堆。类似的考虑也适用于微型反应堆，其功率要求低于SMR范围。

四代堆设计是高温气冷反应堆(HTGR)的继任者——超高温反应堆(VHTR)。

HTGR和VHTR设计都使用石墨作为慢化剂和反射器，氦气作为主要冷却剂。VTHR的主要应用是同步制氢和发电。这是由可能的更高出口温度实现的：高温气冷堆的温度最高可达750℃，而VHTR预计将达到约1000℃。

HT-SMR相对较高的温度为各种化学过程打开了大门，而这些化学过程在较低的温度下是不可行的。

一个例子是使用高温水电解生产氢气。这使得化石燃料可以替代工艺热量，并解决了当前二氧化碳排放的一大来源。

然而，如果不解决安全问题，HTR和SMR的技术优势就毫无价值。

除了SMR概念本身固有的安全特性外，还有HTR特有的优势。SMR特有的固有安全特性，一般来说，是基于可裂变材料较少、复杂性较低的缩小设计。

HTR设计的固有安全特性也发挥了作用。一个是裂变产物的保留，HTR燃料规范的严格要求已经确保了这一点。

TRISO燃料的关键特征是，所有裂变材料都封装在耐用碳化硅(SiC)和热解碳层中。

最重要的是，堆芯熔毁实际上是不可能的，因为即使没有主动氦冷却回路，产生的热量也能够被动地消散到环境中。

这得益于小的堆芯功率密度(与压水堆相比)以及石墨基堆芯本身的大热容和温度稳定性。

因此，HTR概念适合与SMR的技术优势、模块化、标准化潜力、增加设计集成和缩小尺寸相结合。

高质量TRISO燃料的可用性是所有HTR的关键。HTR典型的高出口温度也可用于迄今为止使用化石燃料产生的热量化学或其他工业过程。

3、HTR燃料

NUKEM HTR TRISO燃料生产厂的结构

每台HTR的关键部件是其按照严格规定生产的燃料，这使其能够以全性能运行。

从20世纪60年代初开始，欧洲和美国对HTR及其相关燃料进行了研究和开发。

在欧洲，工作集中在英国和德国。德国HTR计划于20世纪60年代初启动，是民用核开发计划的一部分。

例如，在该计划中，NUKEM专注于燃料元件的设计、燃料规格、燃料制造工艺的开发以及HTR燃料的实际生产。

在20世纪70年代和80年代，NUKEM的100%子公司HOBEG(Hochtemperaturreaktor-Brennelement GmbH)为Ju¨lich的AVR实验核电站制造和供应了超过250,000个球形燃料元件，并为德国Hamm Uentrop的钍高温反应堆(THTR-300)制造和供应超过1,000,000个燃料元件。

基于高度系统化的方法和制定生产过程的特殊质量控制程序，对燃料质量进行了持续提升，并制定了质量标准。

因此，在最小裂变产物释放方面，HTR燃料质量达到了最高水平，并且仍然代表着今天的质量标准。

德国实验性AVR(始于1961年)是随后的球床HTR的起源，如德国THTR-300(始于1971年)、中国实验性反应堆HTR-10(始于1995年)、其发电前身HTR-PM(始于2012年，每台250 MWt)和南非PBMR(因财务原因从未建造，400 MWt)。

PBMR和HTR-PM是HT-SMR的例子，它们都使用基于HOBEG/NUKEM球床制造工艺的球形燃料元件。

与“德国起源”的球床反应堆不同，还有另一个基于圆柱形燃料压块的概念，该燃料压块源自英国的实验性龙堆(1960年开始建造，20 MWt)。

燃料压块布置在棱柱形燃料组件中——通常是一个六边形石墨块，带有填充圆柱形燃料压块的杆状开口。

圆柱形压块或球床形式的HTR燃料由许多直径约0.5毫米的小铀核组成。铀可以是纯二氧化铀或碳氧化铀(UCO)的形式，后者是二氧化铀与一定比例的碳化铀的混合物。

虽然德国钍高温反应堆(THTR-300)使用了添加钍的高浓缩铀(93%的高浓缩铀)，但由于存在扩散风险，目前只使用浓缩水平较低的铀。

高含量低浓缩铀(HALEU)是用来描述富集度在5%至20%之间的铀的术语，通常用于现代先进反应堆，包括HTR。

每个氧化铀或碳化物核都涂有几层热解碳(PyC)以及耐用的碳化硅(SiC)层。虽然内部PyC层是多孔的，能够吸收气态裂变产物，但致密的外部PyC层形成了防止裂变产物释放的屏障。

SiC层提高了该阻挡层的机械强度，从而提高了对某些裂变产物的保留能力。

经过验证的德国TRISO球形燃料，基于NUKEM设计，已经证明了最佳的裂变产物释放率，特别是在高温下。

TRISO颗粒在100µm尺度上的横截面(图源：爱达荷州国家实验室)

浓缩铀TRISO颗粒包含在一个成型的石墨球中。NUKEM燃料球由大约9克铀(大约15,000个TRISO涂层内核)组成，直径为60毫米，燃料球的总质量为210克。

在最近的项目中，NUKEM还开发了基于相同TRISO燃料内核的圆柱形紧凑型燃料。

圆柱形压块的典型长度约为25毫米，直径约为12毫米。每一块含有约1.2克铀(约3,000个TRISO涂层内核)。

4、HTR燃料生产

HTR燃料生产工艺可分为四个主要的燃料生产工艺区，以及两个回收区，用于从液体工艺废水中回收铀和其他有价值的材料，以及不合规格的固体燃料材料。

在内核生产设施中，将新鲜的U3O8粉末溶解在硝酸(HNO3)中，并与特殊化学品混合，形成粘稠的二铀酸铵(ADU)溶液。

将该溶液滴注(振动滴注)，由许多小液滴形成微球，然后将其凝胶化、干燥和煅烧，形成UO3。

UO3被还原成UO2并烧结成核。在UCO核的情况下，使用类似的工艺来部分形成碳化铀。

在涂层设施内，内核使用化学气相沉积(CVD)工艺获得四层涂层，生产TRISO涂层颗粒。

在燃料紧凑型(或球形)生产设施中，TRISO涂层颗粒涂有一层基质石墨粉末(MGP)。

根据所需的填充分数，将MGP涂层颗粒与额外的基质石墨粉末一起加入压制模具中，该填充分数决定了TRISO涂层颗粒相对于总燃料元件体积的体积分数。

生成的燃料元件随后在两个连续的熔炉中进行碳化和退火，从而显著硬化。

完成燃料球的情况下，是最后的燃料元件生产步骤，现在可以将其引入燃料组件。燃料压块首先插入棱柱形石墨块内的杆状开口中，以产生最终的燃料组件。

两个回收区，一方面确保浓缩铀在处理过程中几乎不会丢失，另一方面确保所需的化学品尽可能经常地重复使用。

废液中的所有微量铀在以净化废水的形式排放之前都会被回收。

生产过程中的液体废水在废水处理设施中进行回收和清洁。

主要目的是回收工艺液体，以便在内核生产设施中重复使用。生产过程不同阶段的废料——包括内核、涂层的内核和不合规格的燃料元件，以及其他含铀材料——在铀回收设施中回收，形成U3O8，准备在内核生产设施中重复使用。

HTR燃料元件生产厂作为一个闭环系统运行，该系统旨在接近从原料U3O8到最终燃料块或球体的100%总铀产量;从而接近零排放。

已安装的质量控制程序，确保了只有符合规范的中间产品(铀核和TRISO涂层颗粒)才能用于制造必须通过最终质量控制步骤的燃料块或球体。

5、HTR生产装置的改进

21世纪初，人们可能对球床反应堆产生了进一步的兴趣，因此NUKEM重新启用了以前负责HOBEG燃料生产厂开发和相邻商业运营的关键人员。这种独特的技术在NUKEM HTR燃料技术的复兴中发挥了重要作用。

NUKEM主要在球床模块化反应堆(PBMR)燃料厂的设计过程中开发了最新的TRISO燃料生产工艺。

PBMR燃料厂(PFP)最初将在约翰内斯堡附近建造，旨在为南非第一个PBMR提供燃料。

反应堆的设计是基于燃料规格和燃料元件与德国燃料的等效性。这种等效性对于燃料鉴定非常重要，因为Ju¨lich研究中心于20世纪80年代在德国AVR反应堆中对前NUKEM燃料进行了长期辐照试验。

在最近的燃料厂设计过程中，包括PMBR，该工艺根据最先进的国际规范和标准不断升级。

一般来说，重点从管理临界安全控制转移到技术控制，即尽可能应用安全几何形状。

与防止裂变材料关键构型发生的行政措施相比，几何安全设备的实施更为优越。最大安全设备尺寸是为某些最坏情况确定的——这些限制在核燃料生产厂的整个几何安全区域内执行。

前NUKEM/HOBEG的许多设备都经过了重新设计，并考虑到了安全的几何形状。

在最近的燃料厂项目中，在临界安全和辐射防护方面，还制定了几乎完全回收铀和化学品以及净化和净化液体和气体流出物的工艺。

现有TRISO燃料生产技术的重要复兴、对现代技术和最先进安全要求的考虑，是一项具有挑战性的工程任务，NUKEM于2000年代末完成了这项任务。

本世纪的主要目标是不断取代化石燃料。这可以通过建立一支HTR车队来实现。特别是HT-SMR，它结合了HTR和SMR的优点。

SMR可以非常灵活地部署在工艺热需求高的工业集群地区，NUKEM已准备好为新兴的HT-SMR机队提供燃料。