上圖顯示了可通過 AUC 轉化濃縮氧化鈾而獲得的各種 SMR 燃料

大多數先進或成熟的反應堆概念都可以設計為小型模塊化反應堆 (SMR)。就燃料而言，四種主要的 SMR 設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特性的二氧化鈾 (UO 2 )。如果目標是生產陶瓷氧化物 SMR 燃料，現在可以將 UO 2壓成顆粒并在高溫下燒結。

此外，AUC 可直接煅燒生成八氧化三鈾 (U 3 O 8 )，這是高溫反應堆 (HTR) TRISO 燃料元件生產的輸入材料。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 燃料應用的一大優勢是 AUC 工藝產生的氟含量相對較低。AUC 轉化產生的 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的鈣熱還原生產金屬鈾。鈾金屬可以合金化，為液態金屬冷卻的 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

總體而言，可以認識到，所有常見 SMR 類型的燃料都可以從 AUC 轉化獲得的氧化鈾開始生產。

主要的 SMR 類型及其燃料

考慮到當前反應堆設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堆 (PWR)，但沸水反應堆 (BWR) 也作為 SMR 存在，盡管它代表了不太常見的技術。使用 HALEU 燃料的壓水 SMR 的先驅是俄羅斯：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 類型是熔鹽反應堆 (MSR)。一個關鍵的操作點在于將燃料分散在熔鹽堆芯內。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形式。熔鹽反應堆可以實現熱中子譜和快中子譜。丹麥開發商 Seaborg 正在設計一個浮動熔鹽反應堆，每個模塊的容量為 200 MWe。他們的緊湊型熔鹽反應堆 (CMSR) 具有熱中子譜，需要慢化劑。最初的設計基于

HALEU 和氫氧化鈉慢化劑。為了減輕由于 HALEU 供應不足而導致的時間表風險，Seaborg 將其當前設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。這個例子再次強調了對可靠的 HALEU 供應鏈的需求。 Seaborg 仍然愿意將 HALEU 應用于未來的 CMSR 設計。

基于金屬鈾(和各種合金)的燃料用于快中子 SMR 的一個子集。最常見的反應堆概念是液態金屬冷卻快堆 (LMFR)。為了保持快中子譜，必須從反應堆設計中去除慢化劑;因此，水冷不再是一個合適的選擇。使用液態金屬作為冷卻劑還可以實現更高的工作溫度，從而提高熱轉換效率。與氧化物燃料相比，金屬燃料具有更好的導熱性和更低的熱容量。例如，計劃在加拿大建造的 ARC-100 反應堆采用 13% 濃縮鈾-鋯合金作為燃料。這種鈉冷快堆 (SFR) 基于 EBR-II(實驗增殖反應堆)，該反應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 中的既定設計。所有高溫反應堆 (HTR) 都使用三結構各向同性 (TRISO) 顆粒燃料。TRISO 顆粒通常由二氧化鈾 (UO2) 或碳氧化鈾 (UCO) 燃料內核組成，這些內核通過化學氣相沉積法涂覆以產生覆蓋有四個連續碳和 SiC 基層的 TRISO 涂層顆粒。正是這種耐用且嚴格指定的燃料在很大程度上保證了 HTR 特別高的安全標準。2023 年底，中國的 HTR-PM 投入商業運營，因此是第一座商業高溫 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，不應將其與 MSR 混淆，后者的堆芯本身處于液態。

上圖：HTR 燃料元件在兩個連續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計師的經驗

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

除 HTR TRISO 燃料外，鈾金屬基燃料還涵蓋其余三種 SMR 燃料類型。生產鈾金屬基燃料的工藝始于 AUC 轉化為 UO 2，然后繼續通過 UF 4轉化為金屬鈾。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堆 FR2 和意大利伊斯普拉的 ECO 反應堆制造燃料組件。1978 年，在一個新的試驗工廠首次引入了一種優越的 AUC 工藝，該工藝已為標準輕水反應堆 (LWR) 燃料的 UO 2大規模生產建立了完善的制度。為印度尼西亞國家核能機構 BATAN 設計和安裝了工業鈾金屬 AUC 工廠，并為西門子材料測試反應堆提供了 20% 濃縮燃料元件。

在燃料元件制造的各個階段，通常都會產生一定量的含鈾廢料(不合格材料等)。生產過程應包括通過溶解、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備完成，并確保過程中不會損失鈾。

可以設計工業規模的燃料生產廠，每年生產數噸鈾，適用于所有常見的鈾基 SMR 燃料類型。對于濃縮度高達 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準。