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。”