燃料球自动跟踪系统投运

总部位于美国的Kairos Power已在其位于新墨西哥州（New Mexico）阿尔伯克基（Albuquerque）的制造开发园区启用一套自动化燃料球质量控制与跟踪系统。该系统可规模化地对Kairos Power氟化物盐冷却高温反应堆（KP-FHR）技术所用的球形TRISO（三层结构各向同性）燃料元件进行单件核算。

这解决了美国能源部（DOE）旗下Oak Ridge美国国家实验室（ORNL）明确认定“以现有技术不可行”的一项挑战。ORNL的评估基于球床反应堆固有的三项主要工程障碍：

- 球床反应堆使用数以万计的移动燃料元件运行，因此从操作组织角度看，快速逐个扫描的工作量极其庞大。

- 燃料球循环流动时，反应堆堆芯内持续发生的球间摩擦会刮伤、磨损甚至完全磨掉表面标记。

- 此外，高辐射、高温环境严重限制了传统无损分析和跟踪方法的有效性。

然而，通过在外层石墨基体壳上激光雕刻数据矩阵码，Kairos Power形成了一种足够耐用的结构化身份标识，能够承受循环式反应堆堆芯内的机械摩擦，同时不会损伤内部敏感的TRISO燃料颗粒。新投运的生产线实现了多步骤检查和识别流程的自动化，其中包括：

- 实时质量控制：自动化生产线通过实时检查每个燃料球的直径、几何形状和密度，验证其是否符合制造规范。

- 微米级表面扫描：高精度激光器扫描燃料元件外表面，以识别缺陷并评估其结构完整性。

- 激光雕刻与识别：红外激光器将三个冗余数据矩阵码（类似二维码的编码）直接蚀刻在燃料球表面。

- 保持无损的雕刻深度：标记在石墨表面雕刻至0.5 mm深。这形成了能够耐受循环式反应堆堆芯内球间接触磨损的永久身份标识，而且不会损害外层石墨壳的结构完整性。

在燃料球球形表面的不同位置蚀刻三个冗余数据矩阵码，是Kairos Power克服ORNL所述材料磨损问题的核心设计选择。

三个编码彼此完全独立，互为备份。如果机械摩擦、盐侵蚀或球间撞击在循环过程中刮伤或磨掉一个甚至两个编码，光学扫描仪只需找到并读取一个完好编码，便可成功记录该燃料球。

数据矩阵码本身采用里德—所罗门纠错算法。即使单个编码多达30%～40%的物理表面积被破坏或遮挡，也仍可完整解码。再加上球面上的三个独立副本，燃料球无法读取的概率大幅降低。

不过，如果燃料球遭受极端且均匀的磨损，导致三个数据矩阵码全部无法辨认，该系统还设有故障安全机制。系统会在编码周围蚀刻不同的几何标记或边框。即使无法读取矩阵内的唯一序列号数据，下游光学分选系统仍可利用周围的这些物理形状，至少识别燃料球类型，例如区分含燃料球与实心石墨慢化剂球。

这种多层级方法使自动化燃料装卸系统能够对反应堆内循环流动的数千个燃料球持续进行单件核算。

Kairos Power燃料团队高级工程师Kirby Boone表示：“通过在内部实现质量控制和激光雕刻流程自动化，我们正在构建支持燃料迭代开发方法所需的基础能力和可追溯性。燃料检查与跟踪系统简化了处理流程，并生成关键数据，为从Hermes 2到商业化反应堆系列的未来制造与装卸系统提供依据。”实施这套自动化系统的主要目标包括：

- 材料核算——使运营人员能够在试验阶段和反应堆实际运行期间跟踪数千个独立燃料球，从而简化库存控制。

- 数据驱动工程——持续生成燃料球磨损和性能数据，为未来商业规模制造及燃料装卸基础设施的开发提供依据。

- 燃料迭代开发——提高处理能力，以支持Kairos Power的快速原型开发方法，推动其进一步接近部署Hermes示范反应堆系列的目标。

通过自主开发自动化检查基础设施，Kairos Power能够从每轮生产活动中汲取经验，改进制造工艺，并构建商业规模燃料生产所需的基础能力。

这套自动化系统目前正在处理燃料球，以支持即将开展的硬件示范，近期目标是为包括Kairos Power第二套工程试验装置（ETU）在内的试验平台完成70000个燃料球的检查。同一能力还将支持未来在田纳西州（Tennessee）橡树岭（Oak Ridge）部署Hermes 2电站。

今年早些时候，Kairos Power在田纳西州橡树岭的East Tennessee Technology Park启动了Hermes 1低功率示范反应堆和Hermes 2示范电站的建设。Hermes 1和Hermes 2是合用一处厂址的先进核能示范反应堆。两者采用KP-FHR技术，将TRISO燃料球与熔融Flibe盐冷却剂相结合，以在低压条件下实现可靠的固有安全性。虽然二者采用相同的基本架构，但在Kairos Power的商业化时间表中承担不同作用。

Hermes 1旨在证明KP-FHR核能系统能够在实际核运行条件下可靠工作，预计于2028—2029年建成。Hermes 2是首个获得NRC建造许可证的发电型第四代反应堆。该电站由两台35 MWt反应堆机组组成，将共同向田纳西河流管理局（TVA）电网供应50 MWe电力。工程已于4月开工，目标是在2030年投入运行。

为支持这些项目，Kairos Power还建设了一系列共三套ETU，用于在装入实际核燃料之前，于无危险环境中试验部件、培训工作人员并消除施工缺陷。每套ETU均用于系统解决不同的工程挑战。ETU 1建于Kairos Power位于阿尔伯克基的制造开发园区，现已退役，重点研究流体动力学和化学问题。ETU 2同样建于阿尔伯克基，重点研究模块化制造。ETU 3建于橡树岭，重点研究土建施工和安全问题。

Kairos Power近期获得了总计6.43亿美元的私人和政府融资，用于支持Hermes 2建设。其中包括来自Google Ventures和DCVC等投资者的3.68亿美元。Kairos Power首席执行官Mike Laufer表示，公司还从美国能源部获得了2.75亿美元融资。此外，公司依据9月宣布的一项合作关系，从Samsung C&T Corp获得了7000万美元融资。