SiGA 編織碳化硅核燃料包層(美國(guó)能源部提供)

通用原子公司電磁系統(tǒng)公司 (GA-EMS) 在美國(guó)能源部 (DOE) 的支持下開發(fā)出了可承受極端溫度的碳化硅核燃料包覆管。能源部表示，這可能會(huì)徹底改變工業(yè)生產(chǎn)未來(lái)燃料的方式。

目前，鋯合金因其機(jī)械性能和耐腐蝕性而被廣泛用作核燃料包層。盡管鋯合金包層隨著時(shí)間的推移不斷改進(jìn)，但人們?nèi)匀挥信d趣探索和開發(fā)新的包層材料，以顯著提高輕水反應(yīng)堆的運(yùn)行性能、經(jīng)濟(jì)效率和安全性。

GA-EMS 正在開發(fā)一種名為 SiGA 的新型燃料包殼，該包殼獲得了美國(guó)能源部事故容錯(cuò)燃料計(jì)劃的資金、輻射測(cè)試和輻射后檢查支持。SiGA 包殼由碳化硅制成，碳化硅是一種高溫陶瓷材料，由高純度晶體成分的硅和碳制成。

碳化硅可以承受比熔巖更高的溫度，但純碳化硅易碎，這在歷史上限制了其作為結(jié)構(gòu)材料的使用。GA-EMS 通過(guò)將碳化硅纖維加入包層解決了這個(gè)問(wèn)題。纖維對(duì)材料的加固方式類似于鋼筋加固混凝土的方式。

這種組合產(chǎn)生了一種堅(jiān)韌耐用的工程碳化硅復(fù)合材料，可承受高達(dá) 3800°F 的溫度——比鋯合金的熔點(diǎn)高出約 500 度。

GA-EMS 已經(jīng)制造出 6 英寸長(zhǎng)的 SiGA 小棒和 3 英尺長(zhǎng)的包層樣品，這些樣品符合嚴(yán)格的核電反應(yīng)堆級(jí)要求，并將在美國(guó)能源部愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行輻照測(cè)試。最近的工作表明，該工藝可擴(kuò)展到全長(zhǎng) 12 英尺的燃料棒。

SiGA 包層包含固體燃料和運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的任何氣體，并采用一種新型密封技術(shù)，能夠承受遠(yuǎn)超輕水反應(yīng)堆條件的壓力。為了使 SiGA 包層成為現(xiàn)實(shí)，GA-EMS 將繼續(xù)擴(kuò)大其制造技術(shù)，并進(jìn)一步分析輻照前后的 SiGA。正在使用研究反應(yīng)堆、商用反應(yīng)堆以及建模和模擬來(lái)加速燃料鑒定方法。GA-EMS 認(rèn)為，SiGA 包層可在本十年末得到驗(yàn)證，并在 2030 年初實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。GA-EMS 還在開發(fā) SiGA 的國(guó)內(nèi)制造能力。

通過(guò)事故容錯(cuò)燃料計(jì)劃，美國(guó)最大的三家核供應(yīng)商正在與能源部合作開發(fā)其他事故容錯(cuò)燃料概念。能源部表示，這些新燃料和包殼混合物可以幫助提高當(dāng)今反應(yīng)堆的整體經(jīng)濟(jì)性和性能，并延長(zhǎng)事故情況下高溫下的響應(yīng)時(shí)間。