新一轮TRISO燃料辐照启动

20世纪50年代，核科学家着手设计一种不同类型的核燃料。

美国和欧洲的研究人员设想，不再主要依靠反应堆系统和大型安全壳穹顶防止放射性物质释放，而是为微小铀颗粒分别包覆微型包容系统。

此后30年间，他们开发出最早的三层结构各向同性（TRISO）燃料设计，用多层包容材料包覆颗粒，并证明这种燃料能够在很高温度下运行，同时保持良好的安全性能。

1979年，科罗拉多州（Colorado）的Fort St. Vrain核电站首次在商用反应堆中使用TRISO燃料。TRISO燃料的研发延续至今，并已成为研究最广泛的先进燃料形式之一。

随着美国进入商用核能部署的新时代，许多反应堆开发商正采用这些极为坚固、罂粟籽大小的燃料颗粒为其设计提供动力，尤其是高温气冷堆（HTGR）。

目前，反应堆公司正与Idaho美国国家实验室的研究人员合作，对各自的燃料进行辐照；部分公司还在探索TRISO燃料的不同变体，以获得与现有反应堆所用二氧化铀燃料芯块相当的性能优势。

具体而言，X-energy开发的燃料目前正在该实验室接受辐照，BWX Technologies和Radiant Industries也正准备在INL的Advanced Test Reactor中辐照不同形式和配方的TRISO燃料。

ATR为研究人员和行业提供了在高通量环境中辐照新型核燃料、材料和部件的能力，从而能够加快相关设计的试验。这些实验产生的数据将有助于为三种HTGR所用TRISO燃料开展鉴定，即X-energy的Xe-100、BWXT Advanced Nuclear Reactor（BANR）和Radiant的Kaleidos。

这些公司正在试验多种TRISO燃料，包括氮化铀燃料、球形燃料、环形燃料及其他变体。其中一些燃料可使TRISO燃料在小型先进反应堆中以更高功率密度运行，或在需要换料前运行更长时间。

ATR开展的这一轮TRISO新试验以Advanced Gas Reactor（AGR）Fuel Development and Qualification Program实施的一系列实验为基础。

自2002年起，BWXT、美国能源部、INL和Oak Ridge美国国家实验室开始再次推动TRISO燃料鉴定工作，以供美国新一代高温气冷堆使用。

研究人员与行业协作开展TRISO燃料的设计、制造、辐照和辐照后检验，同时推进以大型HTGR为重点的Next Generation Nuclear Plant反应堆设计计划。

在首次AGR TRISO燃料辐照中，BWXT制造了碳氧化铀（UCO）燃料核芯，ORNL施加包覆层，并将颗粒和石墨压制成圆柱形燃料。随后，这些燃料被运至INL，在ATR中接受辐照和辐照后检验。

此后十年间，这项合作持续推进，制造工艺也从实验室规模发展到生产规模。BWXT负责制造燃料核芯、施加TRISO防护层，并制造由数千个TRISO燃料颗粒组成的燃料压块。

“这些燃料的辐照后检验表明，与实验室小规模生产的燃料相比，规模化生产的燃料形式性能良好。”曾担任AGR燃料辐照后检验技术负责人的INL研究人员John Stempien说。

2019年，美国国防部首次发布Project Pele项目征集。该项目拟开发一种小型移动式核反应堆，用于替代或补充美国军事基地的柴油发电机和可再生能源设施。BWXT赢得合同后，开始扩充TRISO制造生产线的产能。

如今的TRISO颗粒由高浓度低富集度铀微球构成。高浓度低富集度铀是指U-235富集度高于5%但低于20%的铀，微球外部包覆多层陶瓷和碳材料。这些颗粒随后被嵌入石墨基体，制成台球大小的“燃料球”或圆柱形压块。

陶瓷层和碳层能够保持尺寸稳定性和结构完整性，将核热传递给冷却剂，并有助于在很高温度下包容放射性裂变产物。

“对于常规轻水堆燃料，如果燃料开始熔化，裂变产物就会开始从燃料中逸出。”INL实验设计工程师Joe Palmer说，“凭借碳化硅层和陶瓷层，TRISO燃料能够在极高温度下包容裂变产物，这一温度远高于钢的熔点。”

他接着说：“TRISO燃料的优点在于，当温度开始升高时，它能够释放这些能量而不释放裂变产物。”

事实上，TRISO燃料能够承受高于1,600°C的温度，这一温度对应某些HTGR设计的最严重事故情景。

不过，TRISO燃料也可能对反应堆设计构成限制。在某些情况下，行业正在寻求解决方案，以使这种燃料能够用于更小型的反应堆。

“我认为很有意思的一点是，微堆开发商纷纷采用TRISO，但它最初并不是为这些小型反应堆设计的。”Stempien说，“对TRISO的一项批评是，它属于低密度燃料形式。在大型反应堆中，这没有问题。它会减缓事故进程，并降低峰值温度。”

不过，Stempien接着说：“这种较低密度意味着，为了让TRISO适用于更紧凑的微堆和小堆，他们必须开展大量设计工作。”

所有使用TRISO燃料的小型反应堆都依靠非能动安全系统，利用对流而非冷却剂泵推动冷却剂流经堆芯。

INL目前开展的实验以AGR试验为基础，可能有助于提高TRISO燃料反应堆的经济性，包括推动小型反应堆的大规模商业部署。

Palmer数十年来一直从事插入ATR的试验容器设计。为开展最新一批实验，他与同事在ATR恢复了一项名为Auxiliary Lead-Out Experiment House的能力，该设施于2025年末开始运行。

ALE House使研究人员能够通过实时监测和气体管理控制TRISO燃料的辐照过程。

每套试验装置长约26英尺，设有多个腔室，可同时在不同温度和气体环境下测试样品。

“由于这是一种超高温燃料，我们必须设计一种包容容器，在保护试验装置和ATR本身的同时，对温度高达1,500°C的燃料进行辐照。”Palmer说，“为此，不锈钢试验装置压力边界与燃料支架之间设有一层由惰性气体构成的隔热夹套。机械加工的石墨燃料支架温度可以接近燃料温度。”

X-energy Pebble Reactor Test（XPeRT）实验是首次对接近全尺寸的TRISO燃料球开展辐照和辐照后检验。这种燃料球将为该公司的商用80 MWe/200 MWt Xe-100 HTGR提供动力。

这些直径60毫米的燃料球由嵌有数千个TRISO颗粒的石墨基体构成。在X-energy的Xe-100中，约有22万个此类燃料球在反应堆堆芯内循环。使用过的燃料球到达堆芯底部后，将接受燃耗测量。尚未达到最终卸料燃耗的燃料球会重新循环至堆芯顶部，多次通过反应堆，直至燃料完全耗尽。乏燃料球则自动从反应堆中移除。

行业合作伙伴计划技术负责人、INL研究人员Heather Chichester表示，XPeRT实验正在辐照16个燃料球。实验所用试验燃料球的尺寸略小，直径为50毫米，以便装入放置在ATR一个大型通量阱内的实验组件。

“X-energy实验大体处于AGR试验的范围内。”Chichester说，“主要区别在于，AGR试验测试的是圆柱形压块，而X-energy希望测试燃料球形式下的燃料性能。”

她接着说：“热电偶在试验期间测量温度。该设计使我们能够改变混合气体的组成，以维持所需温度。流经实验装置的气体会进入裂变产物监测仪，以确定是否有燃料颗粒失效并释放裂变气体。”

Radiant ATR Fuel Test（RAFT）采用Standard Nuclear制造的HALEU TRISO燃料，将为Radiant的Kaleidos微堆所用TRISO燃料鉴定提供数据。Kaleidos是一种氦冷、石墨慢化的HTGR，设计热功率约为3 MWt。该公司正将其开发为一种移动式设备，在偏远地区和军事应用中替代柴油发电机。

RAFT的TRISO试验将与Kaleidos开发装置在INL的微堆试验示范（DOME）设施中的示范工作同步开展。2025年7月，美国能源部选定Radiant在DOME开展首批装载燃料的微堆试验之一。

由于DOME的初步示范计划持续数月而非数年，ATR中的实验将使Radiant更好地了解Kaleidos所用TRISO燃料的长期性能。

“他们希望在更高燃耗和更接近原型的条件下测试燃料。”Chichester说。

BWXT的BANR是一种75 MWt HTGR，设计用于发电、提供工业用热，以及与可再生能源和化石能源进行热电联产。

该反应堆最初采用的TRISO燃料配方为UCO HALEU，与二氧化铀燃料相比可实现更高燃耗。不过，BWXT正在测试一系列新的TRISO配方和设计，包括氮化铀（UN）TRISO燃料。

“UN燃料核芯的密度比UCO高20%至25%。”Stempien说，“在相同体积内可以装入更多燃料。这会产生几个效果：在相同功率水平下，它们能够运行更长时间，也可以在堆芯中装入更多燃料。另一种选择是缩小堆芯，以便反应堆更易运输。”

他接着说：“这是一种不同的核芯化学组成。我们还不确定它会有怎样的表现。它具有良好的热性能，但总体上仍未得到充分试验。”

Stempien及其同事总共正在测试五种UN和UCO燃料变体，包括采用非传统制造工艺生产、置于较为传统碳基体中的UN燃料，置于碳化硅基体中的UN燃料，以及这两种燃料的环形压块变体。这些变体在理论上均具有优势，但尚未在实际条件下得到验证。

BWXT开展的BANR试验使该公司长期参与TRISO开发的历程形成完整闭环。

“BWXT为在美国Advanced Gas Reactor计划下开发高性能TRISO燃料并成功开展辐照试验发挥了奠基作用，我们对此深感自豪。”BWXT政府业务总裁Joe Miller说，“我们制造的UCO TRISO燃料在Idaho美国国家实验室的Advanced Test Reactor中取得了出色结果，提供了关键数据，使先进反应堆开发商对TRISO的坚固性和安全性充满信心。”

Miller接着说：“随着ATR恢复针对气冷堆设计的辐照试验，我们正在这一深厚积累的基础上继续前进。通过美国能源部向我们授予的先进反应堆示范计划项目，我们正在推进氮化铀TRISO变体，这些变体可为未来应用提供技术优势，包括可能用于我们的BANR微堆等反应堆。这些工作凸显出INL世界一流的试验能力对于推动下一代先进核能技术发展的重要意义。”

在ATR中完成辐照后，这些实验样品将在INL的Materials and Fuels Complex接受辐照后检验。除利用X射线断层成像和显微镜检查颗粒等常规分析外，研究人员还将使用高温炉开展事故试验。

研究人员将使用Fuels Accident Condition Simulator，在受控氦气环境中将TRISO燃料加热至1,600°C至1,800°C，以模拟反应堆事故中的峰值温度。随后，他们将评估试验中的裂变气体释放情况，以确定有多少TRISO颗粒能够保持完整。

同样，Air Moisture Ingress Experiment使研究人员能够在存在空气或水分的条件下加热TRISO燃料，以确保燃料在严重事故条件下具有抵抗氧化反应的能力。

这些实验以AGR试验为基础，在这类燃料即将为新一轮先进反应堆提供动力之际，标志着TRISO燃料演进过程中的若干重要进展。

由于AGR试验侧重于大型反应堆，一些微堆或小型模块化反应堆公司有意采用与最初AGR UCO TRISO燃料略有不同的设计。特别是，与AGR实验测试的铀密度相比，一些小型反应堆可能会受益于更高的铀密度。

“一些公司仍在使用UCO，但对TRISO颗粒的核芯和各包覆层尺寸进行了调整。”Chichester说，“这种变化更像是渐进式改进，而非革命性改变。”

她接着说：“改用氮化铀则是更大的一步，风险更高，潜在回报也更大。氮化铀的燃料密度高得多，因此会对反应堆设计产生更大影响。其制造需要更多工作和更多开发投入，我们还必须观察它的实际表现。”

Cory Hatch是Idaho美国国家实验室的科学撰稿人。该实验室由Battelle Energy Alliance代表美国能源部Office of Nuclear Energy管理。