美国资助碳化硅核燃料包壳

美国能源部（DOE）核能办公室（NE）宣布，将在三年内通过竞争性方式提供5000万美元资金，用于推动反应堆包壳材料的变革。此次资助机会重点支持加快研究、开发和制造，以取代传统金属管。

其目标是支持能够成功制造12英尺长碳化硅包壳燃料棒的项目。这些燃料棒将在研究堆中接受辐照试验，以获取美国核管会（NRC）核安全许可和商业部署所需的数据。相关方必须在12月7日前提交申请。

传统核燃料棒依靠锆合金或金属包壳，保护核燃料芯块免受反应堆冷却剂影响。据NE称，由碳化硅复合材料丝束编织而成的包壳可承受高达华氏3,800度的温度，比传统金属包壳高约华氏500度，可显著提高反应堆的安全裕度、运行灵活性和事故容错能力。

“美国拥有世界上规模最大的轻水堆机组群，”核燃料循环事务副助理部长Josh Jarrell表示，“通过此次新的资助机会，我们很高兴继续与业界合作开展相关项目，以改善反应堆性能，进一步提高我国核电站的安全性，并为燃料开发提供依据，从而提高未来反应堆的运行灵活性并降低成本。”

美国核电机组目前使用的燃料，是将铀加工成小型陶瓷芯块，再将其叠装入金属管（包壳）内；金属管两端密封后形成燃料棒。燃料包壳是反应堆冷却剂与核燃料芯块之间的一道屏障，对于保护燃料并确保核电站安全至关重要。

事故容错燃料（ATF）技术是对传统核燃料系统的一次代际升级，从根本上改变了轻水堆应对严重工况的方式。美国的技术路线分为近期的渐进式解决方案和远期的变革性概念：前者包括目前正在接受商业反应堆试验的镀铬锆合金和掺杂氧化铬的UO2，后者则仍处于深入研发阶段。

碳化硅是一种远期“变革性”事故容错燃料技术，其他此类技术还包括氮化铀（UN）等先进高密度燃料。在美国能源部事故容错燃料计划及其与美国国家实验室合作的主要推动下，美国目前正引领碳化硅包壳商业化进程；俄罗斯则已在为其快堆机组群开发UN燃料。

在美国，General Atomics Electromagnetic Systems（GA-EMS）是领先的碳化硅开发商，拥有获得专利的SiGA工程化多层碳化硅复合材料包壳。该公司已制造出足尺12英尺长SiGA管，并完成多项重要试验里程碑。

GA-EMS在Idaho美国国家实验室（INL）的Advanced Test Reactor中，使未装燃料的SiGA短棒在强中子通量下完成了120天的回路试验。试验棒未出现任何结构退化或质量损失。该公司用于端塞的专有碳化硅连接方法，在Oak Ridge美国国家实验室（ORNL）的腐蚀性压水堆环境中接受了180天的应力试验，期间始终保持完全气密。在与燃料供应商法马通签署的合作协议支持下，GA-EMS计划到2028年开展完整的商业反应堆试验。

总部位于弗吉尼亚州（Virginia）林奇堡（Lynchburg）的Ceramic Tubular Products（CTP）正在开发用于核反应堆的高纯度碳化硅复合材料管，并与美国国家实验室合作，将产品从3英尺长的实验样品扩大到12英尺长的商业规格。

西屋电气和法马通等主要燃料供应商也在开展内部碳化硅研发计划，设计混合型概念和燃料组件架构，以便在陶瓷燃料棒获得NRC许可后为其应用提供支持。

在美国以外，欧盟专门资助了SCORPION项目，以解决碳化硅复合材料包壳的制造缺陷。欧洲研究中心正重点解决材料在强辐照下的早期肿胀问题，并提高其与恶劣冷却剂化学环境的相容性。

在日本，Toshiba Energy Systems & Solutions正在制造核级碳化硅燃料棒。与此同时，日本经济产业省（METI）通过Mitsubishi Nuclear Fuel资助了严格的冷却剂丧失仿真。试验表明，碳化硅部件在1,200°C蒸汽环境中完好无损，而传统锆合金燃料棒则发生鼓胀和破裂。