TCR：橡树岭国家实验室拟建的第14个核反应堆

TCR项目想用3D打印制品作为堆芯结构部件

《世界核新闻》3月2日报道，美国核燃料公司BWXT核运营集团(NOG)获得能源部 橡树岭国家实验室(ORNL)的一份合同，要求提供三重结构各向同性(TRISO)核燃料和技术服务，支持ORNL开发转型挑战反应堆(TCR)。所谓的TCR，就是个“增材制作”的微堆，计划2023年启动[1]。从表面上看，合同要素了无新意。但说TCR将是ORNL建造的第14个核反应堆，项目的宗旨“论证一种革命性方法，利用快速进步的制造工艺，部署新的核能系统”，就值得关注了。

NOG是BWX技术公司的子公司。该公司去年10月宣布，它在弗吉尼亚州林奇堡的工厂将重新启动现有的铀碳氧化物三重结构各向同性(TRISO)燃料生产线。该公司表示，重启活动已敲定，以便在2020年秋季完成TCR燃料的生产。

BWXT NOG总裁乔尔·杜陵(Joel Duling)说，“鉴于我们明确的意图是为我们的先进核技术寻找新市场，这份合同具有重要的战略意义”。“我们...期待与ORNL和DOE合作，展示一种新颖、低成本、增材制造的核反应堆，用于安全、清洁的核能发电”。合同的范围包括制造并提交铀核、TRISO涂覆的代用材料和TRISO涂覆的铀核。ORNL将用这些材料，继续开发和原型研究反应堆设计和先进的制造工艺。

TCR(Transformational Challenge Reactor)，暂译为“转型挑战反应堆”，是个工具堆，在DOE先进堆开发战略中属于“GAIN”(加速核能创新通道)工具包。它的服务对象是甚高温气冷堆(VHTR)商用化[2]，是美国早在这个世纪初就确定的核能发展目标。

核能是美国最大的无碳能源资源。但近期核能项目的成本高，部署时间长，威胁着核能的未来。TCR项目将通过建造和运行一个增材制造(即“3D打印”)的微堆堆芯结构，展示新型核能系统部署的革命性方法，探索相关问题的解决方案。

TCR将是ORNL建造的第14个核反应堆[3]。它有个传统制作、高质量的不锈钢容器。反应堆系统坐落在ORNL某建筑物的带有排气的安全壳内。这个项目始于2019年，示范堆将于2023年启动。

燃料为成熟的微胶囊型TRISO涂覆的铀氮化物燃料颗粒;慢化剂为钇氢化物;堆芯结构是增材制造的碳化硅+不锈钢结构部件内装铀氮化物涂覆颗粒燃料块，钇氢化物慢化剂元件散插其间;氦气冷却气体循环堆芯。

ORNL主任托马斯·扎卡莱亚(Thomas Zacharia)去年在参院作证时说[4]，TCR项目的目标是，利用成熟的3D打印技术，大幅降低成本，加快新反应堆的部署，使国家的核能恢复活力。增材制造技术的关键优势之一是，“可以设计一个不可能用传统技术制造的部件，并在几天甚至几小时内生产出来，然后响应特性或测试的结果，修改设计或制造过程，所有这一切的成本都大大低于传统制造业”，“为大幅改善核制造业，简化供应链提供一条途径”。

启示：面对国际和国内现实，美国核能部门在努力转型。延长现有核电机组的寿命到80年，甚至更长，进展顺利。推进小型模块式轻水堆，即NuScale型IPWR和BWRX-300型IBWR，逐步取代化石燃料发电机组，2027年在国内(爱达荷洲国家实验室科技园区)建成首个IPWR型核电站。国防部与能源部、NRC合作，激励开发移动式微堆，西屋公司的D-达芬奇热管式钠冷快堆很有希望;借军事基地和外空探索之名，解决国内边远地区、特殊、异难环境的能源需求;可离网、黑启动，进度压到2023年。

美国能源部正在努力推进非轻水冷却的先进堆。积极筹划定型美国早有研究的甚高温气冷堆(VHTR)技术，提高核能效率，扩大供应范围，支持其他部门减排。美国私营公司奥克劳(OKLO)早在2016年就与美国核管会(NRC)秘密合作，现已正式向NRC提交联合许可证申请(COLA);能源部早已批准在爱达荷洲国家实验室科技园区选址建造首个商用先进堆;它的激光(Aurora)牌“动力源”是个热管式钠冷微堆，功率只有1.5MWe，首堆即使用再循环的高含量低浓铀(HALEU)金属燃料，几十年不用换料，还可与太阳能整合，建成时间也是2022-24年间[5]。

看来，只要铀资源供应不紧张，核燃料闭环运行的技术和经济性能不佳，美国的“一次通过”核燃料循环成本最低，仍可持续下去。但是，美国至少还在“有选择”地支持开发两种非轻水冷却的先进堆技术商业化，5至7年内展示两种设计，探索核燃料闭路循环的可能性，近期或许可见选择结果[6]。钠冷快堆最成熟(如GEH的PRISM)，已被爱荷华国家实验室(INL)选定为多用途试验堆(VTR)的堆型;熔盐堆虽然还不够成熟，但陆地能源美国公司的一体化熔盐堆(IMSR)呼声很高，也许有希望[7]...

美国和西方许多国家追求可再生能源与先进核能系统组合，2050年实现100%清洁能源目标，或许有可能成为现实。“学，然后知不足”，多学，可从中得到某些启示。

参考资料

1. WNN，BWXT to produce TRISO fuel for 3D-printed reactor，12 March 2020

2. https://tcr.ornl.gov/

3. ORNL/TM-2009/181, An Account of Oak Ridge National Laboratory’s Thirteen Nuclear Reactors,August 2009(Revised March 2010)

4. Thomas Zacharia,Hearing on the Future of Nuclear Power: Advanced Reactors.the Committee on Appropriations Subcommittee on Energy and Water Development U.S. Senate,January 16, 2019

5. Sonal Patel, Why Oklo’s Demonstration of HALEU Could Be Groundbreaking for New Nuclear, POWER,Feb 20, 2020

6. WNN, DOE invites feedback on advanced reactor programme, 07 February 2020

7. Neutron Bytes, A Forecast for the Future of GEN IV Reactors ~ A 50/50 Chance of Success for Three Types, February 7, 2020