陶瓷是一类独特的材料，具有能源应用所需的许多结构和功能特性。在无法使用金属和聚合物的能源应用中，陶瓷通常需要提供改进的性能，包括热稳定性、耐磨性和耐腐蚀性、强度和导电性等。陶瓷通常难以加工，但许多增材制造技术正在开发中，以改进制造并降低相关成本。此外，增材制造有助于控制局部材料微观结构和宏观结构，从而改善许多工程设计要求非常严格的核能应用特性。本期文章回顾了核能发展中应用陶瓷材料的最新技术，关注材料选择、加工以及增材制造技术在能源相关陶瓷材料制造中的机会。
陶瓷材料在裂变能系统中的应用非常广泛，其性能要求与其他领域的陶瓷材料选择相同。核反应堆对必须满足多种应用的材料提出了高温、侵蚀性腐蚀要求和高辐射通量。二氧化铀（UO2），普遍存在的核燃料形式，是核应用中最明显使用的陶瓷材料。然而，先进制造在裂变能源生产领域最有前途的近期应用可能是应用于先进燃料形式和高性能结构材料。对陶瓷材料的讨论主要集中在轻水反应堆 (LWR) 设计上，因为它们负责产生世界上大部分来自核能的电力。然而，应用先进制造方法来实现先进反应堆设计是当前研究的一个主要领域。
核燃料的选择取决于反应堆类型以及设计和性能权衡。二氧化铀是最容易理解的核燃料形式，具有广泛的性能数据、工业和监管熟悉度、易于制造以及其他有利的属性。用于发电的普遍使用的核燃料结构是约10毫米的直圆柱体颗粒堆叠成棒。这些棒的长度通常为数米，被收集成组件，然后进行排列以优化各种参数以构建反应堆堆芯。基本的 UO2颗粒几何形状如图1A所示。
图1. (A) 标准 UO2燃料芯块的示例。(B) TRISO 燃料内核的特征。(C) 转型挑战堆 (TCR) 燃料齿轮组设计从计算机辅助设计到最终致密化的过程。
在所有现有的商业燃料制造中，UO2颗粒都是使用传统方法制造的：冷压，然后在 1900 K 以上的温度下烧结。该过程众所周知并产生高度可重复的燃料性能，但也限制了结合先进微结构或其他增强功能。商业核燃料供应商可能会使用各种添加剂修改其 UO2燃料，以控制燃料微观结构，以提高燃料性能或引入可燃吸收剂或中子毒物（例如 Gd2O3 ）来控制使用早期的反应性。其他材料改性，例如含硼涂层（通常是二硼化锆或氮化硼）也可以应用于颗粒表面，以达到改善反应性控制的类似目的。
非氧化物陶瓷核燃料的发展较为有限。最熟悉的是一碳化物（UC）和一氮化物（UN）燃料。与UO2相比，这些陶瓷体系提供了改进的性能，但代价是更具挑战性的制造工艺以及更有限的辐照性能数据库。非氧化物陶瓷燃料的最大制造挑战是它们必须在惰性气氛手套箱中加工来铀氧化的问题。手套箱处理在研究环境中很常见，但如果考虑将 UC 或 UN 用于能源生产应用，则会带来挑战。
由于其广泛使用，整体颗粒燃料形式已成为大多数核燃料开发研究的焦点。然而，均质颗粒也是最简单的燃料形式；服务要求只不过是在整个服务过程中保持相当稳定的几何形状并将裂变产物的迁移率限制在可接受的水平。服役中，UO2燃料芯块经历广泛的重组、断裂，并将放射性裂变气体释放到燃料棒静压室中。如果发生三哩岛或福岛等超出设计基准的事故，包壳将会失效，放射性裂变产物会释放到主安全壳中。虽然 1979 年三哩岛的主安全壳保持了完整性，并防止了放射性物质向公众释放，但 2011 年的福岛却没有发生这种情况。人们一直致力于改进燃料形式以改善这一基本脆弱性。最值得注意的是，三结构各向同性（TRISO）燃料架构采用了碳化硅屏障，旨在在发生事故时保留裂变产物。TRISO 颗粒燃料的主要特征如下所示图1 B. TRISO 燃料最广泛考虑的用途是用于高温气冷反应堆 (HTGR)，但轻水反应堆的 TRISO 燃料概念也受到了更有限的研究。
用于 HTGR 应用的基体（为 TRISO 燃料颗粒提供粘性结构成分并将热量传导至冷却剂的非裂变材料）是石墨，但制造 SiC 基体的技术引起了人们的极大兴趣。当碳化硅用于燃料基质时，其具有与用于下面讨论的其他核心部件相同的优点（耐辐射性、耐腐蚀性和抗氧化性等）。然而，使用冷压和烧结方法的传统 SiC 基体制造工艺在可达到的填充率方面受到限制。颗粒堆积分数是颗粒燃料的关键指标，因为该参数最终决定铀密度，从而决定可达到的功率密度和堆芯寿命。历史悠久的 HTGR TRISO 的典型堆积分数为 30-40% 。使用传统制造来增加这一点的尝试受到冷压技术的限制；颗粒填充率过高将导致颗粒间接触以及裂变产物保留所依赖的 SiC 层失效。
金属合金通常用于反应堆堆芯内的大多数结构部件。常见的耐腐蚀金属合金，例如不锈钢和镍高温合金，通常用于核心结构部件、管道系统和压力容器。在加压或沸水冷却反应堆中，锆合金用作燃料芯块周围的包壳。包壳负责保留放射性裂变产物和保留堆芯热水力性能。过去十年，世界范围内对开发更能抵抗高温蒸汽氧化的包壳材料产生了浓厚的兴趣，正如许多设计基础和超设计基础核事故中所经历的那样。虽然多种方法受到关注，但碳化硅 (SiC) 纤维增强 SiC基复合材料(SiCf/SiC) 熔覆层提供了克服 Zr 合金的高温氧化脆弱性的潜力并提供性能优势由于其高温强度。但SiC复合包壳存在气密性差的问题，研究人员发明多层复合包层（例如长度超过四米的管），并提高对使用条件下机械性能演变、腐蚀和微裂纹的理解。由于与 Zr 相比，SiC 的中子截面减小， SiCf/SiC 也被建议用于通道盒组件。
裂变反应堆的最后一个主要陶瓷部件是控制棒。控制棒对于调节核反应堆的中子分布非常重要，并且在需要时必须快速终止链式反应。为此目的需要具有高中子吸收截面的同位素（例如硼10）。碳化硼 (B 4 C) 是一种常用的陶瓷，但也有人提出了替代品，包括铪、镉等。这些最关键的设计标准是高熔点，并且在非正常条件下不会与锆熔壳或水发生有害的相互作用。
裂变能领域陶瓷材料先进制造方法的开发仍处于早期评估阶段。主要障碍是核应用新材料验证考核所需的时间比较长，如试验反应堆中剂量或燃耗累积到使用寿命所需的时间约为数十年。核材料制造工艺的资格通常依赖于制造工艺所有可控方面的公差设定，以及最终产品易于观察的特征或属性。这常常阻碍新材料的开发，但最近加速鉴定的方法建议通过使用加速辐照方法和利用现代建模和模拟工具来缩短这一时间。
目前，先进制造在整体核燃料中的应用很大程度上只是假设。当前反应堆燃料的设计采用了通过传统制造容易实现的UO2几何形状的微小变化。已提议使用增材制造来开发保留UO2作为燃料材料的陶瓷复合燃料系统。通过增材制造难熔金属嵌件来提高 UO2的导热性就是这种方法的一个例子。如果能够找到能够对毒物（例如 Gd、B）或 U-235 浓缩进行空间控制的方法，那么先进制造在颗粒燃料几何形状上的更先进应用是可能的。两者都可以通过降低燃料循环成本来提供经济优势。例如，使用常规方法的UO2 -Gd2O3的参考常规制造导致Gd毒物在整个丸粒中均匀分布。使用当前技术可以制造双联芯块，但是需要显着的进步来生产具有围绕UO2的Gd2O3薄环（小于1毫米）的核燃料芯块。
通过应用增材制造来制造颗粒燃料基质，最近取得了重大进展。传统的加工方法本质上限制了燃料颗粒的最大堆积分数，以避免颗粒接触和失效。将 SiC 3D 打印应用于 SiC 基 TRISO 燃料，实现了使用传统方法无法制造的性燃料形式。如图1C所示，使用 3D打印 SiC 方法可以极大地扩展冷却剂通道几何形状的选择和设计的整体灵活性。除了燃料设计本身之外，在陶瓷组件中结合传感和监测的机会也很多，使用传统方法即使不是不可能，也将是一项挑战。
除了 SiC 之外，碳化锆(ZrC) 是这种方法的下一个合理延伸，它提供比 SiC 更高的熔点，在先进反应器中具有令人感兴趣的应用空间。最后，将颗粒燃料合成、颗粒涂层方法的变化以及构建燃料基质的类似气相前体制造路线相结合的混合方法可能会产生针对各种反应器应用和性能要求而优化的新一代颗粒燃料概念。
在许多聚变反应堆概念中，那些在受限等离子体中燃烧氘氚（DT）燃料的反应堆被认为是技术上最可行的，因此目前正在进行大量的研究工作。对于托卡马克和仿星器等磁约束DT聚变能源系统来说，持续加热和为等离子体提供燃料、培育氚燃料以及将聚变反应产物的动能转化为可用形式是最基本的功能要求：等离子体。此外，由于燃烧的等离子体必须保持在超过一亿开尔文的温度，同时发射高能中子和其他辐射，因此周围的组件必须能够承受极其恶劣的工作环境。
陶瓷材料对于实现聚变能至关重要。事实上，许多聚变反应堆概念需要使用整体或复合形式的陶瓷作为各种组件，因为它们具有高温恶劣环境能力和独特的功能。这些组件包括液态金属包层中的流道插件（FCI）、氚增殖器、射频等离子体加热窗口、诊断镜、包层和第一壁结构以及用于更通用功能的组件例如电绝缘性和耐热性。在这里，我们讨论聚变能特有的陶瓷材料应用的两个例子：FCI 和陶瓷增殖体。
FCI 是一种通过磁流体动力将流动的液态金属从液态金属冷却和/或繁殖毯的导电结构中分离出来的组件。FCI的主要用途，用作钢结构内部流道的衬里图2A和B是为了最小化液态金属流动系统中的压力损失并减少液态金属腐蚀对钢的影响。FCI 需要提供足够的热绝缘和电绝缘（通常在几毫米的壁厚下分别 5 W/mK 和 20 S/m），最大限度地减少中子对燃料繁殖的影响，与液态金属化学相容（最常见的是铅-锂共晶），严密防止泄漏，并在高辐射核环境中保持完整性。由于 FCI 的灾难性故障是不能容忍的，因此连续纤维复合材料是该应用的陶瓷的优选。
图2.聚变反应堆包层概念中的陶瓷部件示例：(A) 具有铅锂冷却剂/增殖剂和陶瓷流道插入件的双冷却铅锂 (DCLL) 包层概念。(B) DCLL 覆盖层的歧管部分。(C) 利用陶瓷增殖器和中子倍增器的卵石床的固体增殖毯概念。(D) 用于核燃料组件的增材制造 SiC 部件。
聚变反应堆必须持续生产氚燃料。为了满足核反应的这种需。
