工程7（2021）1508新闻亮点核能寻求先进燃料选择的复兴米奇·莱斯利高级技术作家2020 年 11 月 ， 总 部 位 于 美 国 弗 吉 尼 亚 州 林 奇 堡 的 BWXTechnologies宣布，它已 再次开始制造一种 名为三结构各向同 性（TRISO）颗粒的核燃料。该公司正在设计一种使用这种燃料的移动反应堆，并不是唯一一家押注TRISO未来的核公司。至少有三家美国公司已经将其纳入其先进的反应堆设计[3，4]。对一种目前世界上没有商业核电站使用的燃料的兴趣激增似乎令人惊讶。但大约60年前首次装入反应堆的TRISO正在卷土重来。这在一定程度上是因为对所谓的事故容忍燃料的需求不断增长，这种燃料可能会提高工厂的安全性，并可能有助于防止像2011年日本福岛第一核电站熔毁这样的灾难[5，6]。如果一切按计划进行，美国30多年来第一座TRISO燃料的商业核电站将于2027年开始发电。其他几个国家正在规划或建造类似的设施。例如，中国改用TRISO只是世界各地正在开发或测试的改善反应堆燃料安全性的策略之一[8]，一些专家认为，事故耐受燃料甚至可以帮助迎来核复兴。他们的论点是，这些燃料不仅可以使核电站更安全，而且更小，更简单，更便宜，因此更有吸引力的选择，以生产低碳排放的电力[9]。尽管如此，依赖TRISO或其他事故容忍燃料的新工厂仍面临重大障碍。建造它们的公司正在部署未经验证的技术，并且必须在非常紧张的时间表上完成许可[10]。这些工厂是否经济尚不清楚[10]。TRISO比传统的核燃料更安全，因为它捕获了铀衰变释放的许多危险裂变产物，如Kr，Cs，H2O和I的同位素[11]。每个TRISO颗粒的直径通常约为1 mm，由二氧化铀或碳氧化铀的核心组成，核心被三种保护层包裹，因此其名称中有内层是碳缓冲层，由两层热解碳和一层碳化硅包围（图1）[4]。为了生产可用的燃料，成千上万的TRISO颗粒进一步嵌入石墨中，并形成小圆柱体或球体，称为鹅卵石，可以放在手掌中（图1）。 1）[4]。TRISO颗粒的多层结构使其非常坚固[12]。在一项研究中，研究人员发现它们在高达1800 °C的温度下烘烤近100小时后保留了大多数裂变产物[13]。这个温度远高于研究人员预测的高温气冷堆堆芯在事故中可能达到的1600 °C [14]。另一个优点是TRISO释放的能量百分比更高，这是一种被称为燃耗的测量方法，而轻水反应堆中使用的燃料约占80%今天三聚氰胺燃料并不是坚不可摧的。颗粒可能破裂和腐蚀，其内部结构可能恶化[11]。但是这种燃料“可以让你在更高的温度下呆更长的时间，”美国田纳西州诺克斯维尔市田纳西大学核工程副教授尼古拉斯·布朗说。他说，这在事故中至关重要，因为它可以给核电站运营商足够的时间采取措施冷却反应堆。尽管这些粒子第一个使用TRISO的核反应堆是Dragon，这是英国的一个实验性高温气冷堆，于1964年至1975年运行[4]。自20世纪60年代以来，工程师们已经将TRISO纳入了另外几个提供商业电力的HTGR中，但后来被关闭。在美国，位于科罗拉多州的圣弗兰堡反应堆从1979年到1989年使用氦冷却燃料[15]。但由于TRISO与越来越普遍的轻水反应堆不兼容，它失宠了[4]。布朗说，即使在商业工厂关闭后，对TRISO燃料的研究仍在继续，今天的颗粒有几种改进。 布朗说：“在实验室和试验反应堆中，我们一直在推进这项技术。”例如，开发TRISO燃料反应堆的美国公司之一，位于华盛顿州西雅图的Ultrasafe Nuclear Corpo- ration将颗粒嵌入由碳化硅而不是石墨制成的颗粒中，该公司声称这一变化使燃料更耐高温和辐射[16]。对TRISO燃料的兴趣正在上升的另一个原因是，包括美国在内的许多国家旨在建造比轻水厂更小、更高效、更通用的先进反应堆[17，18]。2011年的福岛核事故进一步推动了TRISO和其他耐事故燃料的发展。https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.09.0022095-8099/©2021 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engM. 莱斯利工程7（2021）15081509图1.一、（a）大球体（背面（a））是一颗鹅卵石，上面布满了数千个TRISO粒子剖面图（正面（a））显示了单个颗粒的多层结构，热解碳、碳化硅和碳缓冲层的保护层覆盖着铀氧化物或铀碳氧化物的熔核（b）图像显示了单个卵石的大小。图片来源：X-energy（公共领域）。在美国，能源部（DOE）已经启动了一项风险降低计划，以刺激更安全的反应堆的发展，并于去年向五个示范项目提供了3000万美元，其中两个项目依赖TRISO[2，18]。中国最接近于开设一座新的TRISO燃料核电站。中国首先在北京清华大学的10兆瓦高温气冷试验堆（HTR-10）中使用TRISO，该反应堆在2003年至2007年期间发电[17，19]。HTR-10的更大的继任者，中国山东省的石岛湾示范工厂，计划于2021年底上线，美国可能在本十年结束前拥有至少两座基于TRISO的反应堆总部位于加利福尼亚州阿拉米达的Kairos Power公司正在美国田纳西州橡树岭建造一个名为Hermes的示范反应堆[21]。它不使用水作为冷却剂，而是循环一种称为FLiBe的氟化锂和氟化铍的熔盐[22]。该设计突出了TRISO的一些潜在优势例如，建设可能更便宜，更快，因为爱马仕不需要一个安全壳建筑，一个覆盖大多数核反应堆以防止辐射泄漏的巨大盖子。Hackett说，Hermes是2020年获得美国能源部拨款的风险降低项目之一，其规模将是该公司最终希望商业化的反应堆的十分之一‘‘Wewant to demonstrate that we have solutions to some of the mostchallenging problems in advanced reactor development,” whichinclude该公司计划在2026年将反应堆投入使用。2020年10月，X-energy从美国能源部获得了8000万美元的启动资金，用于在2027年前将TRISO燃料的商业反应堆投入运营[7]。该公司X-energy将在华盛顿州安装四个这样的反应堆，能源部将支付估计的25亿美元成本的一半[7，25]。中东国家约旦已同意购买其中四座反应堆，加拿大也可能采用该技术[26]。Ultrasafe核公司还提议在加拿大建造一个TRISO燃料的示范反应堆[27]。TRISO的安全性提高是有代价的：燃料需要增加浓缩。哈克特说，凯罗斯使用的燃料比轻水反应堆中的燃料棒富含更高比例的U-235。尽管如此，燃料，”他说。‘‘Even though the cost of manufacturing is higher,the overall cost is燃料成本的增加并不是新的TRISO工厂的唯一潜在障碍一方面，建造这些设施的公司哈克特承认，凯罗斯到2026年开设示范工厂的目标是“激进的”。X能源公司此外，即使建设成本较低，新工厂也可能无法与天然气等廉价能源竞争[10]。布朗说，对TRISO兴趣的增加甚至可能成为一个障碍鉴于TRISO燃料电厂的不确定性，研究人员正在探索其他提高核安全的方法。一些调查集中在改变燃料成分是否可以防止熔毁[8]。另一个目标是包裹燃料棒的包壳。它由锆合金制成，在300°C左右的正常反应堆温度下不会腐蚀[8]。然而，如果温度激增，它就开始与蒸汽反应，变得脆，在福岛核事故中，由不断恶化的覆层产生的氢气发生了爆炸[8]。福岛核事故引发了对保护覆层新策略的研究，包括用各种材料涂覆覆层 他和他的团队发现，在700°C下，1lm厚的铬层可以延迟包层氧化长达20 h，法国研究人员发现，较厚的层可以在1200 °C下抵抗氧化[28]。Heuser说，这种方法是有利的，因为带有新型涂层的燃料棒可以进入现有的反应堆。铬涂层包层已经在几个反应堆中进行了测试，其他类型的保护包层也是如此[8]。研究人员正在研究的另一种选择是由不同的抗氧化材料制成的覆层，例如铁，铬和铝的合金然而，这些材料将需要更广泛的测试比涂层传统包层，豪泽说。他说，升级后的覆层本身不会阻止事故发生，但它会提供一个小时或更长的“应对时间”。随着公司和政府投入大量资金用于提高反应堆安全性的战略，包括TRISO燃料，以及即将上线的几个项目，未来几年应该会更清楚地了解这一重点将如何影响核电的未来。M. 莱斯利工程7（2021）15081510引用[1] BWXT完成TRISO燃油管路重启[Internet]。伦敦：世界核新闻; 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