美国能源部MARVEL微堆制造经验分享

6月1日，在科罗拉多州丹佛市举行的美国核学会年会上，来自Idaho美国国家实验室的一个团队发表了题为“MARVEL反应堆制造经验教训”的报告。该报告强调了从设计过渡到制造和组装过程中出现的挑战，重点关注反应堆部件制造、斯特林发动机实施以及反应性控制系统开发。

项目范围：MARVEL，全称为“微型反应堆应用研究、验证与评估”，是一个10–15千瓦电功率（85千瓦热功率）的微堆，采用钠钾自然循环作为堆芯冷却剂，并使用改进的TRIGA燃料组件。

其设计运行寿命为两年，不过能源部微堆计划的国家技术总监John Jackson表示，有方法可以延长该寿命。

作为50多年来能源部首个自主开发的反応堆，他期望MARVEL能提供一个平台，用于测试微堆的独特运行特性和应用，并作为商业微堆公司的探路者。

最近的项目里程碑包括确定了五个将在MARVEL上演示测试案例的团队，以及能源部批准了其初步安全分析报告。Jackson表示，团队正按计划在12月实现干临界。

他表示，获得的一些高层级经验教训是：优化一个领域可能导致其他领域的损失，使用现成组件并不保证更容易集成，并且设计规范中的“微小”变更可能等同于重大的执行挫折。

“其中一些似乎是常识，但我仅从这个反应堆项目的经验告诉你，即使是看似常识的事情最终也会让你措手不及，”Jackson说。“你改变一个杠杆，其他97个杠杆就会以不可预测的方式发生变化。”

斯特林发动机：MARVEL最初被设想为一个自包含系统，利用集成的斯特林发动机来发电。

“这是设计的支柱之一，因此它可以成为一个独立的电站，你可以将其带到某处部署并直接取电，”Walsh Engineering Services的设计代理Chad Ryan说。

作为高度成熟的现成组件，已在非常恶劣的条件下证明可可靠运行，这些发动机预计有助于保持设计简单。

“我们对此非常满意，我们甚至想，也许我们不会测试斯特林发动机。它们就是即插即用，”MARVEL项目经理Justin Johnson说。

团队希望调整冷却系统，但遇到了一系列问题，包括流量计故障、铅铋共晶泄漏和氦气冒泡。

然后，测试表明安装在反应堆上的发动机引起了显著振动。

“在[工程演示装置]测试期间，现场的工程师说他担心建筑会震塌，”Jackson说。

最终，团队决定保留斯特林发动机，但作为一个解耦系统。他们将发动机放回原包装盒内，盒内包含用于减震的橡胶缓冲器。MARVEL的新设计在斯特林发动机和反应堆之间包括两个换热器。

“当你不按设计方式使用时，‘现成’并不意味着‘现成’，”Johnson说。“那是一个深刻的教训。”

MARVEL渲染图及制造和组装部件照片。（图片来源：INL）

材料和制造：设计复杂性的增加以及保持反应堆小型化的愿望产生了超紧密公差的下游效应；例如，它要求燃料堆芯部件的制造尺寸与指定尺寸相差在0.0005英寸以内。（作为对比，这大约是红细胞尺寸的1.5倍。）

“这在整个MARVEL设计中无处不在，困扰着我们，”Ryan说。

团队确实找到了解决方法，但指出通过一些设计变更，这个问题或许本可避免。

MARVEL团队在机械加工和制造过程中不得不寻找替代方法，以克服意外障碍。

据MARVEL项目经理Reese Gannon介绍，当燃料堆芯筒在加工过程中开始变形时，他们最初的解决方案——高温退火——被发现显著加剧了问题，使其变形更严重并引入了氧化皮。团队最终从头开始筒体制造，采用在整个加工过程中使用低温热处理的方桉。

同样，开发了一种结合TIG（钨极惰性气体保护焊）和MIG（熔化极惰性气体保护焊）的焊接工艺，以在不产生表面变形的情况下实现高质量焊接。

氧化铍被发现难以采购并加工成MARVEL反射层设计所需的精确形状，团队最终需要在设计中留出余量，以考虑裂纹和崩边。

反应堆控制系统：在运行期间，MARVEL将由四个控制鼓控制，这些鼓根据鼓的旋转角度通过反射或吸收来慢化中子。

“[反应堆]设计中控制鼓并不多见，”INL的研究员Anthony Crawford说。

在现有的设计中，Crawford表示他只知道一个包含紧急停堆功能的设计（SNAP 10A，属于核辅助动力系统项目的一部分），该系统在太空中运行了43天，并且他表示，对于其是否经过了地面部署所必需的安全相关设备的严格验证存在疑问。