美国资助碳化硅包壳研发

10月5日，美国能源部宣布，计划在三年内提供最高5000万美元的资助，以支持将碳化硅（SiC）用作燃料包壳材料的研究。

美国能源部称，SiC有望提高美国现役轻水堆的安全性和成本效率，并表示，SiC包壳研究可能进一步推动未来反应堆燃料的开发。

据美国能源部称，“碳化硅包壳先导试验燃料棒开发——第一阶段”资助项目旨在加强相关研究，“最终制造出用于研究堆辐照试验的12英尺长SiC包壳燃料棒”。该计划拟于2030年前完成研究、制造、装入、辐照和辐照后检查工作。

在回答Nuclear News有关将使用哪些研究堆的问题时，美国能源部合同官员Jeff Rigby表示：“我们预计，申请方将能够使用Idaho美国国家实验室的Advanced Test Reactor（ATR）、Oak Ridge美国国家实验室的High Flux Isotope Reactor（HFIR）、Massachusetts Institute of Technology的Research Reactor（MITR）和／或其他大学研究堆开展碳化硅包壳辐照试验。”

美国能源部接受资助申请的截止日期为12月7日。

事故容错燃料：美国核管会将锆合金、铝和不锈钢列为常用包壳材料。包壳是包围燃料棒内燃料的金属保护层。然而，数十年来，研究人员一直在探索可能的替代材料。

2011年，一场9.1级地震及其引发的海啸导致日本福岛第一核电站3座反应堆发生堆芯熔化，此后新型包壳研究变得更加紧迫。据报道，反应堆堆芯过热时，包壳中的金属发生氧化，导致具有爆炸性的氢气逸入反应堆厂房。

2012年，美国国会拨款设立了后来被称为事故容错燃料（ATF）计划的项目，旨在开发一种燃料系统，使其在反应堆堆芯失去冷却剂时，能够比广泛使用的二氧化铀—锆合金系统维持更长时间。

SiC是传统包壳材料的一种替代方案。美国核管会认为，这种材料能够保持结构完整性并耐受高温蒸汽氧化，这是其优势所在。

迄今为止，已有3家美国公司通过ATF计划探索将SiC用作包壳材料：

General Atomics，SiGA SiC复合材料燃料管制造商。

西屋电气，2019年与General Atomics合作，研究将SiGA燃料包壳管与其EnCore硅化铀燃料芯块配套使用。

法马通，2020年与General Atomics合作，研究将SiC用作沸水堆燃料包壳。

此外，Rigby表示：“相关研发工作还通过核能大学计划（NEUP）下的大学项目，以及美国能源部Office of Science的小企业创新研究（SBIR）计划下的小企业项目开展。这些工作重点研究用于轻水堆的碳化硅包壳概念，包括碳化硅／碳化硅复合材料燃料棒和碳化硅／锆合金混合燃料棒概念。”

碳化硅相关问题：除自身优势外，美国核管会在其网站上指出，SiC也存在一些困难，包括这种材料对裂变过程中产生的气体具有渗透性，以及SiC管材制造面临挑战。未来研究可能会解决这些问题。

此外，SiC系统并非唯一已经开发或研究的事故容错燃料技术。美国企业考虑过多种替代方案，包括：

镀铬锆合金包壳。

“掺杂”燃料芯块，即添加铬或其他材料的芯块。

氮化铀燃料芯块。

挤压金属燃料，即封装在锆合金包壳内的铀锆混合物。

铁铬铝（FeCrAl）包壳。

在回答Nuclear News关于当前资助项目为何聚焦SiC系统的问题时，Rigby表示：“碳化硅（SiC／SiC）包壳一直是研究资助的重点，因为它有望显著提高核燃料安全性，尤其是凭借其高温性能和抗氧化性。美国众议院拨款委员会在2026财年以及最近的2027财年继续表示支持，认可迄今取得的进展，并表明美国国会大力支持推动该技术迈向商业部署，这进一步强化了这一研究重点。与此同时，美国能源部仍在推进其他下一代燃料技术。”

有关碳化硅包壳资助项目的更多信息，可在grants.gov网站上的该计划页面查阅。