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前橡树岭国家实验室(ORNL) 的国家技术总监Kurt Terrani，目前正担任Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) 公司总监，他近期接受了乐鱼的专访，表示USNC正处于核燃料和反应堆设计的技术前沿，以及其全陶瓷微胶囊 (FCM) 燃料的商业可用性，划分了美国和其他地区零碳能源制造的分水岭。
ExOne的粘合剂喷射技术成为了支持USNC促进FCM燃料制造的关键步骤。同时，USNC也正在致力研究两种方向，第一种是核反应堆设计，只要存在重力，热流体上升到顶部，而冷流体下降到底部，核反应堆设计本质上是安全的。第二种是FCM燃料形式，它为放射性核素释放带来多重障碍，保障核安全。
USNC从FCM燃料形式上看到了工业标准的TRISO燃料的优势，它含有分层陶瓷涂层中裂变的放射性副产物，包裹在完全致密的碳化物基质中。Terrani解释道：“其实整个过程就是将辐射保留在核反应堆堆芯内。在一些常规设计中，一般会通过建造大型水库和大型混凝土穹顶，但将负担转移至燃料本身一直是人们的共识，所以制造了直径约为一毫米的燃料小颗粒，并在其周围涂上了各种陶瓷涂层。”
从历史上看，燃料颗粒可能被放置在碳胶中，使小型压力容器粘合在一起。为了缓解释放，USNC公司试图将燃料颗粒放置在碳化硅外壳中，而这种外壳在机械、热和环境方面都具有稳定性。一直以来，制造高纯度碳化硅是一项挑战，但增材制造被认为是促进USNC公司转型的有利技术。
粘合剂喷射3D打印能够在室温下处理材料，而碳化硅在较高温度下会发生分解，因此可以排除使用电子束或激光束的工艺。
Terrani继续说道：“我们使用粘合剂喷射实现了结构及其复杂的碳化硅成型，这项技术的独到之处就在于可提供完全的3D自由。因为多数情况下，应用增材制造技术制作零件受到一定的空间限制，但使用粘合剂喷射可以实现任何类型的几何形状。于是，我们将这种高度多孔碳化硅用于另一个称为化学气相渗透工艺。通过加热纯净、高度结晶的碳化硅，少量的粘合剂就会消失。接着，通过化学气相渗透工艺，在孔隙中沉积更多的碳化硅。”
在化学气相渗透工艺过程中，碳化硅结构在炉中反应后会填充所有的开放空间，从而形成“相对致密、表面完全密封、坚固且具有非常复杂几何形状的高纯度碳化硅”，形成的外壳成为USNC公司FCM燃料形式的一部分。
对于ExOne的粘合剂喷射3D打印机上的数千个燃料元件，在打印过程中集成了独特的条形码，以此实现产品质量可追溯。从外部看，这些元素看起来像一块碳化硅，但在内部，燃料颗粒以一种非常特殊的方式排列，以便在适用的地方集成冷却通道等结构。
USNC工厂内部
这些燃料颗粒随后被用于USNC的微型模块化反应堆(MMR)能源系统，并使用不会与燃料或反应堆核心部件发生化学反应的氦气作为惰性气体。USNC公司认为MMR设计是所有商业化的反应堆中，具有最低的功率密度和最高的表面积与功率比。
当多个MMR系统连接在一起时，它们能够为化工厂、大型工业场所、偏远社区和整个城市提供动力。该系统目前正在荷兰的一座反应堆中进行测试，而加拿大也正在为计划于 2026 年投入核电的首个应用和示范装置进行高级许可认证。
Terrani认为，以往的反应堆设计受到了传统制造工艺的限制，比如，构成传统轻水反应堆的棒材阵列常常因为制造商不想为每根燃料棒更换工具便选择统一生产。增材制造在这里为USNC提供了一个解决方案，就像它在FCM燃料形式的碳化硅外壳上所做的那样。
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