ORNL开发液态金属悬浮燃料提升轻水堆性能

Oak Ridge美国国家实验室（ORNL）开发的一种新型核燃料方法，可能提升新型轻水堆（LWRs）的性能。构成美国核电站舰队大部分的轻水堆使用二氧化铀燃料芯块发电。ORNL的二氧化铀液态金属悬浮（ULIMES）燃料概念旨在更有效地冷却反应堆，并从铀燃料中提取更多能量，从而提高反应堆的整体性能。

ULIMES设计使用悬浮在液态金属中的二氧化铀燃料颗粒，形成一种流动燃料系统，使燃料在堆芯中循环。这一设计提高了反应堆的自冷却能力，除了带来显著的安全增益和降低维护成本外，还提供了效率上的重大提升。该概念也与建造轻水堆已使用的材料兼容。

“ULIMES使用经过验证的材料，以提供下一代性能而无需下一代建造成本，从而将当今的反应堆与未来的技术连接起来，”首席研究员 Ian Greenquist 表示。ORNL已与澳大利亚投资公司 Out The Back（OTB）Ventures签署了一项研究许可协议，为ULIMES的进一步研究提供资金。

OTB Ventures正在提供必要的投资，以推动ULIMES从实验室概念走向商业可行性。这种伙伴关系是ORNL更广泛趋势的一部分，旨在利用产业接洽和技术转让来加速先进能源解决方案的部署。

OTB已与数百名研究人员建立了关系，并在2023年与美国、澳大利亚、新西兰、新加坡、英国、瑞士、瑞典和荷兰的30多所大学和国家实验室进行了接洽（包括校园访问）。将时间投入到这些特定深度/前沿技术研究领域的研究社区，是OTB识别投资机会的一个重要方面。

ULIMES（二氧化铀液态金属悬浮）是Oak Ridge美国国家实验室（ORNL）开发的一种“流动”核燃料概念，它重新构想了核反应堆的内部化学过程。与传统的固体燃料芯块不同，ULIMES使用未烧结的二氧化铀颗粒悬浮在液态金属载体中，例如铅-锡或铋-铅-锡合金。

由于燃料是一种循环悬浮液，它在高和低中子通量区域之间移动。这消除了固体芯块中心经常未被利用的“自屏蔽”效应，从而允许从相同数量的铀中提取更多能量。

二氧化铀天然是一种不良热导体。通过将其悬浮在热导率高得多的液态金属中，反应堆可以更有效地移除热量，显著降低燃料的峰值温度。

ULIMES概念提供了多项非能动安全优势。改进的热性能意味着反应堆能够更好地自我冷却，有可能减少对复杂、冗余安全系统的需求。固体燃料遭受“碰撞级联”损伤和裂变气体积累，导致肿胀和性能退化。在ULIMES中，液态金属载体不受这种结构损伤的影响，裂变气体也不会以同样的方式积累。

ULIMES的一个关键优势是其与当前轻水堆已用材料的化学兼容性。这“连接”了当今技术与未来设计，而无需数十年的新材料认证。目前由ORNL的 Ian Greenquist 领导的研究，正聚焦于维持稳定悬浮所需的密度和粘度，无论是通过机械混合还是自然循环。

实验表明，在典型运行温度（400°C）下，候选液态金属不会对Zircaloy-4包壳造成显著腐蚀。燃料的高铀浓度使其适用于各种规模，从大型核电站到小型模块化反应堆（SMRs）。