HALEU UF6 和 SMR 燃料制造

上图显示了可通过 AUC 转化浓缩氧化铀而获得的各种 SMR 燃料

大多数先进或成熟的反应堆概念都可以设计为小型模块化反应堆 (SMR)。就燃料而言，四种主要的 SMR 设计基于陶瓷氧化物颗粒、分散在熔盐中的燃料、金属铀合金或 TRISO 涂层铀核。HALEU 范围内的浓缩度 (5% – 20%) 对 SMR 燃料有利，因为它们具有更高的能量密度，从而可以使用更小的反应堆堆芯，并且通常允许更高的燃耗。因此，可以延长加油周期，并减少核废料的体积。

从 HALEU 六氟化铀 (UF 6 ) 开始，首选工艺是碳酸铀酰铵 (AUC) 分解，生成具有有益物理和化学特性的二氧化铀 (UO 2 )。如果目标是生产陶瓷氧化物 SMR 燃料，现在可以将 UO 2压成颗粒并在高温下烧结。

此外，AUC 可直接煅烧生成八氧化三铀 (U 3 O 8 )，这是高温反应堆 (HTR) TRISO 燃料元件生产的输入材料。几种 TRISO 涂层颗粒被加工成所有 HTR-SMR 的燃料球或圆柱形压块。TRISO 燃料应用的一大优势是 AUC 工艺产生的氟含量相对较低。AUC 转化产生的 UO 2可以很容易地被氢氟酸 (HF) 氟化为四氟化铀 (UF 4 )。UF 4是液态熔盐 SMR 燃料芯的基本材料。最后，可以通过 UF 4的钙热还原生产金属铀。铀金属可以合金化，为液态金属冷却的 SMR 提供燃料，例如钠冷快堆 (SFR)。

上图：金属铀可通过 UF4 的钙热还原生产

总体而言，可以认识到，所有常见 SMR 类型的燃料都可以从 AUC 转化获得的氧化铀开始生产。

主要的 SMR 类型及其燃料

考虑到当前反应堆设计中基于燃料的四种主要 SMR 类型，重点放在提到的铀基燃料上：UO 2颗粒、熔融 UF 4盐、金属铀合金和 TRISO 颗粒。

陶瓷二氧化铀颗粒以传统包覆燃料棒的形式用作轻型水冷 SMR 的燃料。目前，最广泛的概念是压水反应堆 (PWR)，但沸水反应堆 (BWR) 也作为 SMR 存在，尽管它代表了不太常见的技术。使用 HALEU 燃料的压水 SMR 的先驱是俄罗斯：一个例子是 RITM-200，它自 2019 年以来为 Arktika 破冰船提供动力。

该型潜艇的陆基版本被称为RITM-200N，计划于2028年在雅库特投入使用。

下一个 SMR 类型是熔盐反应堆 (MSR)。一个关键的操作点在于将燃料分散在熔盐堆芯内。这样，堆芯材料本身

也可以用作冷却剂。UF4是适用于此情况的铀的兼容化学形式。熔盐反应堆可以实现热中子谱和快中子谱。丹麦开发商 Seaborg 正在设计一个浮动熔盐反应堆，每个模块的容量为 200 MWe。他们的紧凑型熔盐反应堆 (CMSR) 具有热中子谱，需要慢化剂。最初的设计基于

HALEU 和氢氧化钠慢化剂。为了减轻由于 HALEU 供应不足而导致的时间表风险，Seaborg 将其当前设计更改为更容易获得的低浓缩铀 (LEU)，并将慢化材料从氢氧化钠改为石墨。这个例子再次强调了对可靠的 HALEU 供应链的需求。 Seaborg 仍然愿意将 HALEU 应用于未来的 CMSR 设计。

基于金属铀(和各种合金)的燃料用于快中子 SMR 的一个子集。最常见的反应堆概念是液态金属冷却快堆 (LMFR)。为了保持快中子谱，必须从反应堆设计中去除慢化剂;因此，水冷不再是一个合适的选择。使用液态金属作为冷却剂还可以实现更高的工作温度，从而提高热转换效率。与氧化物燃料相比，金属燃料具有更好的导热性和更低的热容量。例如，计划在加拿大建造的 ARC-100 反应堆采用 13% 浓缩铀-锆合金作为燃料。这种钠冷快堆 (SFR) 基于 EBR-II(实验增殖反应堆)，该反应堆在美国阿贡国家实验室运行了 30 多年。

高温气冷堆 (HTGR) 是第四类 SMR 中的既定设计。所有高温反应堆 (HTR) 都使用三结构各向同性 (TRISO) 颗粒燃料。TRISO 颗粒通常由二氧化铀 (UO2) 或碳氧化铀 (UCO) 燃料内核组成，这些内核通过化学气相沉积法涂覆以产生覆盖有四个连续碳和 SiC 基层的 TRISO 涂层颗粒。正是这种耐用且严格指定的燃料在很大程度上保证了 HTR 特别高的安全标准。2023 年底，中国的 HTR-PM 投入商业运营，因此是第一座商业高温 SMR。它的燃料是 8.5% 浓缩球形燃料元件(卵石)，每个燃料元件包含约 12,000 个 TRISO 颗粒。

值得注意的是，除了气冷式高温堆，还有盐冷式高温堆，如氟盐冷却高温堆 (FHR)，例如美国加利福尼亚州 Kairos Power 推广的 KP-FHR (140 MWe)。虽然它是盐冷式，但它具有典型的固体高温堆芯，并使用 TRISO 燃料运行。因此，不应将其与 MSR 混淆，后者的堆芯本身处于液态。

上图：HTR 燃料元件在两个连续的炉子中碳化和退火，其硬度显著提高

利用燃料厂操作员和设计师的经验

NUKEM 在 20 世纪 60 年代开发了 TRISO 球形燃料元件，并进入中国和 HTR-PM。20 世纪 70 年代和 80 年代，TRISO 燃料生产厂在德国哈瑙运营，作为后来的合作协议的一部分，原燃料制造厂的部分部件于 1995 年运往中国北京，并在清华大学重建。核能与新能源技术研究院 (INET) 的实验室生产线于 1998 年投入运营。根据从 INET 工厂获得的经验，CNNC 设计了 ​​HTR-PM 的燃料生产厂。

除 HTR TRISO 燃料外，铀金属基燃料还涵盖其余三种 SMR 燃料类型。生产铀金属基燃料的工艺始于 AUC 转化为 UO 2，然后继续通过 UF 4转化为金属铀。自 1956 年以来，NUKEM 一直用金属铀为德国卡尔斯鲁厄的研究反应堆 FR2 和意大利伊斯普拉的 ECO 反应堆制造燃料组件。1978 年，在一个新的试验工厂首次引入了一种优越的 AUC 工艺，该工艺已为标准轻水反应堆 (LWR) 燃料的 UO 2大规模生产建立了完善的制度。为印度尼西亚国家核能机构 BATAN 设计和安装了工业铀金属 AUC 工厂，并为西门子材料测试反应堆提供了 20% 浓缩燃料元件。

在燃料元件制造的各个阶段，通常都会产生一定量的含铀废料(不合格材料等)。生产过程应包括通过溶解、萃取净化和将所得硝酸铀酰 (UN) 溶液送回 AUC 工艺来回收所有铀。这项工作使用相同的设备完成，并确保过程中不会损失铀。

可以设计工业规模的燃料生产厂，每年生产数吨铀，适用于所有常见的铀基 SMR 燃料类型。对于浓缩度高达 20% 的 HALEU 材料，前提条件是临界安全工艺保持最先进的放射防护标准。