新開發的HT-SMR項目需要HTR燃料技術的支持，從而取代化石燃料并應對氣候變化。復興幾十年前首次開發的HTR燃料技術為新一代低碳工業熱處理打開了大門。

1、應對氣候變化

HTR燃料元件在兩個連續的熔爐中進行碳化和退火，在那里進行硬化處理。

在本世紀，建立一支可靠的高溫小型模塊化反應堆(HT-SMR)隊伍，通過取代化石燃料，是應對氣候變化的關鍵戰略。

隨著全球平均氣溫的上升，對能源的需求不斷增加，核電再次被視為一種清潔能源，尤其是在國際社會努力減少二氧化碳總排放方面。

截至目前，一些國家和公司正在推廣高溫堆(HTR)技術，特別是由于其獨特的固有安全特性。

這些特征是基于反應堆概念和燃料設計本身。因此，許多正在出現的小型模塊化反應堆(SMR)設計也基于HTR技術。

2、HT-SMR

上：包含球形燃料元件的TRISO燃料結構，下：不同長度的圓柱形燃料壓塊(左)和NUKEM的球床球形燃料元件(右)

SMR的概念反映了人類在提高安全性的同時降低核電站復雜性的夢想。重點在于減小反應堆的尺寸(與既定設計相比)。

當滿足這一要求時，可以解決模塊化、標準化和增加設計集成的問題。更集成的設計降低了復雜性和組件數量。標準化包括能夠更靈活地部署反應堆，減少現場和電網限制。

幾乎所有已知的反應堆概念，從已建立的概念到四代堆設計，都可以設計為SMR。國際原子能機構(IAEA)將其定義為每個模塊最高300 MWe的反應堆。類似的考慮也適用于微型反應堆，其功率要求低于SMR范圍。

四代堆設計是高溫氣冷反應堆(HTGR)的繼任者——超高溫反應堆(VHTR)。

HTGR和VHTR設計都使用石墨作為慢化劑和反射器，氦氣作為主要冷卻劑。VTHR的主要應用是同步制氫和發電。這是由可能的更高出口溫度實現的：高溫氣冷堆的溫度最高可達750℃，而VHTR預計將達到約1000℃。

HT-SMR相對較高的溫度為各種化學過程打開了大門，而這些化學過程在較低的溫度下是不可行的。

一個例子是使用高溫水電解生產氫氣。這使得化石燃料可以替代工藝熱量，并解決了當前二氧化碳排放的一大來源。

然而，如果不解決安全問題，HTR和SMR的技術優勢就毫無價值。

除了SMR概念本身固有的安全特性外，還有HTR特有的優勢。SMR特有的固有安全特性，一般來說，是基于可裂變材料較少、復雜性較低的縮小設計。

HTR設計的固有安全特性也發揮了作用。一個是裂變產物的保留，HTR燃料規范的嚴格要求已經確保了這一點。

TRISO燃料的關鍵特征是，所有裂變材料都封裝在耐用碳化硅(SiC)和熱解碳層中。

最重要的是，堆芯熔毀實際上是不可能的，因為即使沒有主動氦冷卻回路，產生的熱量也能夠被動地消散到環境中。

這得益于小的堆芯功率密度(與壓水堆相比)以及石墨基堆芯本身的大熱容和溫度穩定性。

因此，HTR概念適合與SMR的技術優勢、模塊化、標準化潛力、增加設計集成和縮小尺寸相結合。

高質量TRISO燃料的可用性是所有HTR的關鍵。HTR典型的高出口溫度也可用于迄今為止使用化石燃料產生的熱量化學或其他工業過程。

3、HTR燃料

NUKEM HTR TRISO燃料生產廠的結構

每臺HTR的關鍵部件是其按照嚴格規定生產的燃料，這使其能夠以全性能運行。

從20世紀60年代初開始，歐洲和美國對HTR及其相關燃料進行了研究和開發。

在歐洲，工作集中在英國和德國。德國HTR計劃于20世紀60年代初啟動，是民用核開發計劃的一部分。

例如，在該計劃中，NUKEM專注于燃料元件的設計、燃料規格、燃料制造工藝的開發以及HTR燃料的實際生產。

在20世紀70年代和80年代，NUKEM的100%子公司HOBEG(Hochtemperaturreaktor-Brennelement GmbH)為Ju¨lich的AVR實驗核電站制造和供應了超過250,000個球形燃料元件，并為德國Hamm Uentrop的釷高溫反應堆(THTR-300)制造和供應超過1,000,000個燃料元件。

基于高度系統化的方法和制定生產過程的特殊質量控制程序，對燃料質量進行了持續提升，并制定了質量標準。

因此，在最小裂變產物釋放方面，HTR燃料質量達到了最高水平，并且仍然代表著今天的質量標準。

德國實驗性AVR(始于1961年)是隨后的球床HTR的起源，如德國THTR-300(始于1971年)、中國實驗性反應堆HTR-10(始于1995年)、其發電前身HTR-PM(始于2012年，每臺250 MWt)和南非PBMR(因財務原因從未建造，400 MWt)。

PBMR和HTR-PM是HT-SMR的例子，它們都使用基于HOBEG/NUKEM球床制造工藝的球形燃料元件。

與“德國起源”的球床反應堆不同，還有另一個基于圓柱形燃料壓塊的概念，該燃料壓塊源自英國的實驗性龍堆(1960年開始建造，20 MWt)。

燃料壓塊布置在棱柱形燃料組件中——通常是一個六邊形石墨塊，帶有填充圓柱形燃料壓塊的桿狀開口。

圓柱形壓塊或球床形式的HTR燃料由許多直徑約0.5毫米的小鈾核組成。鈾可以是純二氧化鈾或碳氧化鈾(UCO)的形式，后者是二氧化鈾與一定比例的碳化鈾的混合物。

雖然德國釷高溫反應堆(THTR-300)使用了添加釷的高濃縮鈾(93%的高濃縮鈾)，但由于存在擴散風險，目前只使用濃縮水平較低的鈾。

高含量低濃縮鈾(HALEU)是用來描述富集度在5%至20%之間的鈾的術語，通常用于現代先進反應堆，包括HTR。

每個氧化鈾或碳化物核都涂有幾層熱解碳(PyC)以及耐用的碳化硅(SiC)層。雖然內部PyC層是多孔的，能夠吸收氣態裂變產物，但致密的外部PyC層形成了防止裂變產物釋放的屏障。

SiC層提高了該阻擋層的機械強度，從而提高了對某些裂變產物的保留能力。

經過驗證的德國TRISO球形燃料，基于NUKEM設計，已經證明了最佳的裂變產物釋放率，特別是在高溫下。

TRISO顆粒在100µm尺度上的橫截面(圖源：愛達荷州國家實驗室)

濃縮鈾TRISO顆粒包含在一個成型的石墨球中。NUKEM燃料球由大約9克鈾(大約15,000個TRISO涂層內核)組成，直徑為60毫米，燃料球的總質量為210克。

在最近的項目中，NUKEM還開發了基于相同TRISO燃料內核的圓柱形緊湊型燃料。

圓柱形壓塊的典型長度約為25毫米，直徑約為12毫米。每一塊含有約1.2克鈾(約3,000個TRISO涂層內核)。

4、HTR燃料生產

HTR燃料生產工藝可分為四個主要的燃料生產工藝區，以及兩個回收區，用于從液體工藝廢水中回收鈾和其他有價值的材料，以及不合規格的固體燃料材料。

在內核生產設施中，將新鮮的U3O8粉末溶解在硝酸(HNO3)中，并與特殊化學品混合，形成粘稠的二鈾酸銨(ADU)溶液。

將該溶液滴注(振動滴注)，由許多小液滴形成微球，然后將其凝膠化、干燥和煅燒，形成UO3。

UO3被還原成UO2并燒結成核。在UCO核的情況下，使用類似的工藝來部分形成碳化鈾。

在涂層設施內，內核使用化學氣相沉積(CVD)工藝獲得四層涂層，生產TRISO涂層顆粒。

在燃料緊湊型(或球形)生產設施中，TRISO涂層顆粒涂有一層基質石墨粉末(MGP)。

根據所需的填充分數，將MGP涂層顆粒與額外的基質石墨粉末一起加入壓制模具中，該填充分數決定了TRISO涂層顆粒相對于總燃料元件體積的體積分數。

生成的燃料元件隨后在兩個連續的熔爐中進行碳化和退火，從而顯著硬化。

完成燃料球的情況下，是最后的燃料元件生產步驟，現在可以將其引入燃料組件。燃料壓塊首先插入棱柱形石墨塊內的桿狀開口中，以產生最終的燃料組件。

兩個回收區，一方面確保濃縮鈾在處理過程中幾乎不會丟失，另一方面確保所需的化學品盡可能經常地重復使用。

廢液中的所有微量鈾在以凈化廢水的形式排放之前都會被回收。

生產過程中的液體廢水在廢水處理設施中進行回收和清潔。

主要目的是回收工藝液體，以便在內核生產設施中重復使用。生產過程不同階段的廢料——包括內核、涂層的內核和不合規格的燃料元件，以及其他含鈾材料——在鈾回收設施中回收，形成U3O8，準備在內核生產設施中重復使用。

HTR燃料元件生產廠作為一個閉環系統運行，該系統旨在接近從原料U3O8到最終燃料塊或球體的100%總鈾產量;從而接近零排放。

已安裝的質量控制程序，確保了只有符合規范的中間產品(鈾核和TRISO涂層顆粒)才能用于制造必須通過最終質量控制步驟的燃料塊或球體。

5、HTR生產裝置的改進

21世紀初，人們可能對球床反應堆產生了進一步的興趣，因此NUKEM重新啟用了以前負責HOBEG燃料生產廠開發和相鄰商業運營的關鍵人員。這種獨特的技術在NUKEM HTR燃料技術的復興中發揮了重要作用。

NUKEM主要在球床模塊化反應堆(PBMR)燃料廠的設計過程中開發了最新的TRISO燃料生產工藝。

PBMR燃料廠(PFP)最初將在約翰內斯堡附近建造，旨在為南非第一個PBMR提供燃料。

反應堆的設計是基于燃料規格和燃料元件與德國燃料的等效性。這種等效性對于燃料鑒定非常重要，因為Ju¨lich研究中心于20世紀80年代在德國AVR反應堆中對前NUKEM燃料進行了長期輻照試驗。

在最近的燃料廠設計過程中，包括PMBR，該工藝根據最先進的國際規范和標準不斷升級。

一般來說，重點從管理臨界安全控制轉移到技術控制，即盡可能應用安全幾何形狀。

與防止裂變材料關鍵構型發生的行政措施相比，幾何安全設備的實施更為優越。最大安全設備尺寸是為某些最壞情況確定的——這些限制在核燃料生產廠的整個幾何安全區域內執行。

前NUKEM/HOBEG的許多設備都經過了重新設計，并考慮到了安全的幾何形狀。

在最近的燃料廠項目中，在臨界安全和輻射防護方面，還制定了幾乎完全回收鈾和化學品以及凈化和凈化液體和氣體流出物的工藝。

現有TRISO燃料生產技術的重要復興、對現代技術和最先進安全要求的考慮，是一項具有挑戰性的工程任務，NUKEM于2000年代末完成了這項任務。

本世紀的主要目標是不斷取代化石燃料。這可以通過建立一支HTR車隊來實現。特別是HT-SMR，它結合了HTR和SMR的優點。

SMR可以非常靈活地部署在工藝熱需求高的工業集群地區，NUKEM已準備好為新興的HT-SMR機隊提供燃料。

免責聲明：本網轉載自合作媒體、機構或其他網站的信息，登載此文出于傳遞更多信息之目的，并不意味著贊同其觀點或證實其內容的真實性。本網所有信息僅供參考，不做交易和服務的根據。本網內容如有侵權或其它問題請及時告之，本網將及時修改或刪除。凡以任何方式登錄本網站或直接、間接使用本網站資料者，視為自愿接受本網站聲明的約束。