上圖顯示了可通過 AUC 轉(zhuǎn)化濃縮氧化鈾而獲得的各種 SMR 燃料

大多數(shù)先進或成熟的反應(yīng)堆概念都可以設(shè)計為小型模塊化反應(yīng)堆 (SMR)。就燃料而言，四種主要的 SMR 設(shè)計基于陶瓷氧化物顆粒、分散在熔鹽中的燃料、金屬鈾合金或 TRISO 涂層鈾核。HALEU 范圍內(nèi)的濃縮度 (5% – 20%) 對 SMR 燃料有利，因為它們具有更高的能量密度，從而可以使用更小的反應(yīng)堆堆芯，并且通常允許更高的燃耗。因此，可以延長加油周期，并減少核廢料的體積。

從 HALEU 六氟化鈾 (UF 6 ) 開始，首選工藝是碳酸鈾酰銨 (AUC) 分解，生成具有有益物理和化學(xué)特性的二氧化鈾 (UO 2 )。如果目標(biāo)是生產(chǎn)陶瓷氧化物 SMR 燃料，現(xiàn)在可以將 UO 2壓成顆粒并在高溫下燒結(jié)。

此外，AUC 可直接煅燒生成八氧化三鈾 (U 3 O 8 )，這是高溫反應(yīng)堆 (HTR) TRISO 燃料元件生產(chǎn)的輸入材料。幾種 TRISO 涂層顆粒被加工成所有 HTR-SMR 的燃料球或圓柱形壓塊。TRISO 燃料應(yīng)用的一大優(yōu)勢是 AUC 工藝產(chǎn)生的氟含量相對較低。AUC 轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的 UO 2可以很容易地被氫氟酸 (HF) 氟化為四氟化鈾 (UF 4 )。UF 4是液態(tài)熔鹽 SMR 燃料芯的基本材料。最后，可以通過 UF 4的鈣熱還原生產(chǎn)金屬鈾。鈾金屬可以合金化，為液態(tài)金屬冷卻的 SMR 提供燃料，例如鈉冷快堆 (SFR)。

上圖：金屬鈾可通過 UF4 的鈣熱還原生產(chǎn)

總體而言，可以認(rèn)識到，所有常見 SMR 類型的燃料都可以從 AUC 轉(zhuǎn)化獲得的氧化鈾開始生產(chǎn)。

主要的 SMR 類型及其燃料

考慮到當(dāng)前反應(yīng)堆設(shè)計中基于燃料的四種主要 SMR 類型，重點放在提到的鈾基燃料上：UO 2顆粒、熔融 UF 4鹽、金屬鈾合金和 TRISO 顆粒。

陶瓷二氧化鈾顆粒以傳統(tǒng)包覆燃料棒的形式用作輕型水冷 SMR 的燃料。目前，最廣泛的概念是壓水反應(yīng)堆 (PWR)，但沸水反應(yīng)堆 (BWR) 也作為 SMR 存在，盡管它代表了不太常見的技術(shù)。使用 HALEU 燃料的壓水 SMR 的先驅(qū)是俄羅斯：一個例子是 RITM-200，它自 2019 年以來為 Arktika 破冰船提供動力。

該型潛艇的陸基版本被稱為RITM-200N，計劃于2028年在雅庫特投入使用。

下一個 SMR 類型是熔鹽反應(yīng)堆 (MSR)。一個關(guān)鍵的操作點在于將燃料分散在熔鹽堆芯內(nèi)。這樣，堆芯材料本身

也可以用作冷卻劑。UF4是適用于此情況的鈾的兼容化學(xué)形式。熔鹽反應(yīng)堆可以實現(xiàn)熱中子譜和快中子譜。丹麥開發(fā)商 Seaborg 正在設(shè)計一個浮動熔鹽反應(yīng)堆，每個模塊的容量為 200 MWe。他們的緊湊型熔鹽反應(yīng)堆 (CMSR) 具有熱中子譜，需要慢化劑。最初的設(shè)計基于

HALEU 和氫氧化鈉慢化劑。為了減輕由于 HALEU 供應(yīng)不足而導(dǎo)致的時間表風(fēng)險，Seaborg 將其當(dāng)前設(shè)計更改為更容易獲得的低濃縮鈾 (LEU)，并將慢化材料從氫氧化鈉改為石墨。這個例子再次強調(diào)了對可靠的 HALEU 供應(yīng)鏈的需求。 Seaborg 仍然愿意將 HALEU 應(yīng)用于未來的 CMSR 設(shè)計。

基于金屬鈾(和各種合金)的燃料用于快中子 SMR 的一個子集。最常見的反應(yīng)堆概念是液態(tài)金屬冷卻快堆 (LMFR)。為了保持快中子譜，必須從反應(yīng)堆設(shè)計中去除慢化劑;因此，水冷不再是一個合適的選擇。使用液態(tài)金屬作為冷卻劑還可以實現(xiàn)更高的工作溫度，從而提高熱轉(zhuǎn)換效率。與氧化物燃料相比，金屬燃料具有更好的導(dǎo)熱性和更低的熱容量。例如，計劃在加拿大建造的 ARC-100 反應(yīng)堆采用 13% 濃縮鈾-鋯合金作為燃料。這種鈉冷快堆 (SFR) 基于 EBR-II(實驗增殖反應(yīng)堆)，該反應(yīng)堆在美國阿貢國家實驗室運行了 30 多年。

高溫氣冷堆 (HTGR) 是第四類 SMR 中的既定設(shè)計。所有高溫反應(yīng)堆 (HTR) 都使用三結(jié)構(gòu)各向同性 (TRISO) 顆粒燃料。TRISO 顆粒通常由二氧化鈾 (UO2) 或碳氧化鈾 (UCO) 燃料內(nèi)核組成，這些內(nèi)核通過化學(xué)氣相沉積法涂覆以產(chǎn)生覆蓋有四個連續(xù)碳和 SiC 基層的 TRISO 涂層顆粒。正是這種耐用且嚴(yán)格指定的燃料在很大程度上保證了 HTR 特別高的安全標(biāo)準(zhǔn)。2023 年底，中國的 HTR-PM 投入商業(yè)運營，因此是第一座商業(yè)高溫 SMR。它的燃料是 8.5% 濃縮球形燃料元件(卵石)，每個燃料元件包含約 12,000 個 TRISO 顆粒。

值得注意的是，除了氣冷式高溫堆，還有鹽冷式高溫堆，如氟鹽冷卻高溫堆 (FHR)，例如美國加利福尼亞州 Kairos Power 推廣的 KP-FHR (140 MWe)。雖然它是鹽冷式，但它具有典型的固體高溫堆芯，并使用 TRISO 燃料運行。因此，不應(yīng)將其與 MSR 混淆，后者的堆芯本身處于液態(tài)。

上圖：HTR 燃料元件在兩個連續(xù)的爐子中碳化和退火，其硬度顯著提高

利用燃料廠操作員和設(shè)計師的經(jīng)驗

NUKEM 在 20 世紀(jì) 60 年代開發(fā)了 TRISO 球形燃料元件，并進入中國和 HTR-PM。20 世紀(jì) 70 年代和 80 年代，TRISO 燃料生產(chǎn)廠在德國哈瑙運營，作為后來的合作協(xié)議的一部分，原燃料制造廠的部分部件于 1995 年運往中國北京，并在清華大學(xué)重建。核能與新能源技術(shù)研究院 (INET) 的實驗室生產(chǎn)線于 1998 年投入運營。根據(jù)從 INET 工廠獲得的經(jīng)驗，CNNC 設(shè)計了 ??HTR-PM 的燃料生產(chǎn)廠。

除 HTR TRISO 燃料外，鈾金屬基燃料還涵蓋其余三種 SMR 燃料類型。生產(chǎn)鈾金屬基燃料的工藝始于 AUC 轉(zhuǎn)化為 UO 2，然后繼續(xù)通過 UF 4轉(zhuǎn)化為金屬鈾。自 1956 年以來，NUKEM 一直用金屬鈾為德國卡爾斯魯厄的研究反應(yīng)堆 FR2 和意大利伊斯普拉的 ECO 反應(yīng)堆制造燃料組件。1978 年，在一個新的試驗工廠首次引入了一種優(yōu)越的 AUC 工藝，該工藝已為標(biāo)準(zhǔn)輕水反應(yīng)堆 (LWR) 燃料的 UO 2大規(guī)模生產(chǎn)建立了完善的制度。為印度尼西亞國家核能機構(gòu) BATAN 設(shè)計和安裝了工業(yè)鈾金屬 AUC 工廠，并為西門子材料測試反應(yīng)堆提供了 20% 濃縮燃料元件。

在燃料元件制造的各個階段，通常都會產(chǎn)生一定量的含鈾廢料(不合格材料等)。生產(chǎn)過程應(yīng)包括通過溶解、萃取凈化和將所得硝酸鈾酰 (UN) 溶液送回 AUC 工藝來回收所有鈾。這項工作使用相同的設(shè)備完成，并確保過程中不會損失鈾。

可以設(shè)計工業(yè)規(guī)模的燃料生產(chǎn)廠，每年生產(chǎn)數(shù)噸鈾，適用于所有常見的鈾基 SMR 燃料類型。對于濃縮度高達(dá) 20% 的 HALEU 材料，前提條件是臨界安全工藝保持最先進的放射防護標(biāo)準(zhǔn)。