该实验室致力于开发通用原子能公司(GeneralAtomics)各领域使用的材料，正推动核级碳化硅(SiC)纤维的本土化生产，创新碳化硅泡沫技术，并促进合作以加速陶瓷基复合材料(CMC)的生产和商业化进程。

    2026年2月，通用原子电磁系统(GA-EMS，美国加利福尼亚州圣地亚哥)宣布与美国田纳西州橡树岭国家实验室(ORNL)签署备忘录，推动先进陶瓷基复合材料(CMC)的工业制造。根据协议，GA-EMS将利用美国能源部(DOE)位于ORNL的制造示范设施(MDF)资源，研究其陶瓷前驱体、纤维和复合材料的先进制造工艺。

    乔治亚-EMS总裁斯科特·福尼(ScottForney)解释说，目标是加速创新，加强美国关键供应链，并交付对国家安全和能源安全至关重要的先进物资。“该计划补充了我们不断增强的先进材料和技术能力，以及启动材料加速、创新与转型交流(MAITrX)实验室。”MAITrX凭借70多年核能专业知识建立，旨在推动定制先进材料的商业化实施，CMC成为核心。

    通用原子公司的先进材料开发中心

    通用原子公司由四个主要业务部门及若干关联公司组成。最知名的关联公司可能是通用原子航空系统公司(GA-ASI)，该公司生产无人机系统(UAS)，包括MQ-9A死神、MQ-9B天际守护者/海卫、MQ-1C灰鹰以及MQ-20复仇者和Gambit系列。

    GA-EMS开发和制造先进的电磁系统，包括为美国海军设计的电磁飞机发射系统(EMALS-ElectromagneticAircraftLaunchSystem)、轨道炮技术和高功率能量激光器、卫星和空间感测系统、超高速弹丸以及支持下一代裂变能源应用的专用脉冲功率和能量转换系统。“我们倾向于投资核技术，”克里斯蒂娜·A(ChristinaA)博士说。巴克-GA-EMS核技术与材料副总裁，“同时也涉足支持通用原子及其附属公司的材料，包括高超音速等领域。复合材料是公司的常见投资，我们开发这些技术并专门针对特定终端产品进行优化。”

    CMC材料开发范围

    CW此前报道过GA-EMS开发的SiGA高温包壳，该包覆材料由碳化硅(SiC)复合材料组成，用于核燃料棒。巴克解释说，在这种材料中，纤维和基体都构成了结晶β相SiC（β-SiC），因为它能抵抗核反应堆中中子的脆化。目前，这种环境要求在不到5年内更换锆金属燃料棒。“在我们正在使用的先进气冷反应堆中，SiC/SiC包覆燃料棒具有卓越的中子损伤抵抗力，氦冷却剂的使用寿命可能达30年，”巴克说。

    “你也可以在硅合金基体中使用碳纤维，”她继续说，“我们还在研究一种碳化锆纤维(ZrC，熔点~3540°C)，但基体不同，可以达到更高的温度。”碳/碳(碳纤维增强碳基，C/C)也被广泛应用于高温应用，“但其缺点是在高温下存在氧气时会被侵蚀，这会影响系统设计，使得碳/碳在某些应用中不够用。”

    巴克指出：“SiC是更坚固的基体，具体取决于应用，而C/SiC则试图利用碳纤维的优势，碳纤维比SiC纤维更便宜且更容易获得。”她指出，这些非氧化CMC通常需要纤维与基体之间形成一种界面或涂层，使纤维能够滑动，“这提供了耐久性所需的伪延展性机械响应。”该界面通常为0.1至1.0微米厚的层，可能包括氮化硼(BN)或热解碳(PyC)、SiC及多层组合，这些材料在基体渗透前沉积于SiC纤维上。

    “这些不同CMC的许多工艺相似，”巴克说，“但你使用的是不同的前体或渗透材料。我们正在探索多种技术，试图提供一种解决方案的孵化器。我们选择材料时会考虑最终用途，然后开发技术将其商业化。”

    MAITrX作为加速CMC的协作中心

    加速、创新和交流是MAITrX的核心支柱。“我们希望汇聚重要理念、人员和组织，以加速像CMC这样关键材料的商业化，”巴克说。“我们不想重塑轮子，而是促进协作。”

    GA-EMS正在开发SiGA-FN光纤，以提供美国核级SiC纤维的来源，并利用编织技术制造核燃料棒的SiGA包覆层

    MAITrX实验室在圣地亚哥地区拉荷亚北部的佐治亚州-EMS托里派恩斯设施内拥有65,000平方英尺的空间。“我们涵盖CMC的整个流程，包括光纤实验室和复合材料实验室，”巴克说。“因为我们生产SiC/SiC零件，我们正在将SiC纤维部件，但对于核能应用，我们需要晶体β硅，而目前美国的产量尚不足。”

    “我们还拥有编织机、绕线机和挤出机，以及高温炉和其他加工设备。我们采用的制造方法取决于我们生产的产品。”例如，核燃料棒的SiGA包壳使用编织的SiC/SiC带制作套筒，然后多次浸入高纯度β硅。“我们正通过两种方式实现这一点，并且已经验证了所需的组件性能、强度和材料质量，”巴克解释道。“我们现在的重点是提升制造水平。目前的渗透流程太耗时，我们知道还有改进的办法。”

    “ORNL正在帮助我们解决那个规模化的问题，”她继续说道。“我们MAITrX实验室的核心就是真正融合不同的技术部分和技能。所以，我们与不同公司合作完全没有问题。”

    为什么选择ORNL?

    他们是GA-EMS长期合作的合作伙伴，巴克说。“他们比其他国家实验室更重视先进陶瓷和CMC，设备我们不会投资，直到我们完全验证出工艺。”

    她解释道：“MAITrX实验室通常专注于并驱动特定的终端应用。”“我们会看看高超音速飞行器或核热火箭的需求。但我们没有像国家实验室那样的时间进行探索—他们不像我们那样在制造最终产品。虽然我们拥有庞大的实验室设施和制造中心，ORNL在扩大部分工艺方面做了更多探索。例如，你如何缠绕和松开陶瓷预产胶带，以及你在加工时使用的温度都很重要。所有这些细节对于迈向工业规模都至关重要，这正是我们与ORNL合作的地方。”

    推动SiC/SiC用于下一代核能

    2026年3月《核工程杂志》一篇文章详细介绍了GA-EMS在核裂变和聚变应用中的若干进展，文章中包括巴克博士和MAITrX实验室负责人赫沙姆·哈利法博士等多位合著者。本文解释说，为了辐射稳定性，核级SiC/SiC需要使用PyC作为间期，因为BN被视为中子毒物，而化学气相渗透或化学气相沉积则更倾向于产生所需的β-SiC基体。据报道，其他基体渗透方法存在问题—如结晶度较低的高分子浸透热解和未反应游离硅的反应性熔体浸透—这些方法往往使硅质基体不适合照射环境。

    CVI使用高温真空炉分解前驱体气体，并在SiC纤维预成型体的丝状物之间沉积到β-SiC。然后重复此过程以使CMC更密。然而，对于核燃料包壳和聚变反应堆组件所需的米长尺度，控制密度均匀性具有挑战性，且利用CVI尚未展示核级SiC/SiC的产量。

    GA-EMSSiC/SiC复合零件：（a）原型SiC/SiC流通道插入件（FCI）;（b）全密闭、长12英尺的SiGA燃料包层，旁边是GA-EMS试点级CVI/CVD炉;（c）表面光滑的包覆层

    三月的文章解释说，MAITrX实验室能够每批制造数百个完整长度、12英尺长、高展弦比的SiC/SiC零件。这些包括用于燃料棒的SiGA包壳，用于改造核裂变反应堆，包括现有的轻水反应堆和高温气冷反应堆。MAITrX还为聚变反应堆设计了流通道插入件（FCI-flowchannelinserts）原型，详见下文。

    MAITrX安装了一座35英尺高的CVI/CVD加工炉，设计每批可生产多达300根SiGA燃料棒。它被用来验证生产规模扩大的路径。该设施还具备最终精加工和表面粗糙度控制的加工能力。

    “我们取得了巨大进展，”巴克说，“现在开始用公用设施测试样本。我们的目标是展示这些棒的性能和性能，同时也关注实现过程。”她指出，为了加装核反应堆，每次更换全部5万根燃料棒中的三分之一。“我们从个位数扩展到数百根杆，现在正扩展到数万根。”

    “但我们也在看一些配方，”她指出。“我们正在考虑从类似SiC/SiC的预成型体CVI转向更适合制造的高超音速工艺。我们也看到从碳/碳复合材料转向更高效工艺的重要性，从配方开始一直到生产和后处理。因此，目标不仅是将零件转向更坚固、耐高温的材料以满足每个应用需求，还要缩短生产时间和零件规模。”

    这种制造能力也被用于开发聚变反应堆应用，其中硅化硅/硅化硅对于提高效率、减少维护和延长工厂寿命至关重要。在双冷铅锂毯（DCLL-dual-cooledleadlithiumblanket）设计中，SiC/SiC使元件能够承受高温、辐射和等离子体相互作用，同时实现高效的氚增殖。例如，通用原子模块化毯（GAMBL-GeneralAtomicsModularBlanket）采用了硅化硅/硅质结构支撑，能够采用辐射冷却且无需密封，从而实现了多种成本和效率优势。

    硅碳泡沫的规模化生产

    硅碳泡沫夹层结构在FCI及其他应用领域已有十余年研究。该型号由Ultramet制造，采用集成键合的SiC表皮和芯材

    除了单片硅化硅/硅酸外，硅化碳泡沫还提供低热导率，适用于如FCI的应用，用于引导液态金属冷却剂的流动。然而，正如2026年3月文章中所述，SiC泡沫的硬度使其难以加工成目标几何形状，而大尺寸SiC泡沫同样昂贵。与此同时，市面上可获得的SiC泡沫具有有限的孔隙度选项，可能无法满足聚变应用所需的热导率。因此，GA-EMS开发了一种可扩展、低成本的硅碳泡沫制造技术，用于FCI。该工艺并非从硅质化硅开始，而是从碳泡沫开始—碳泡沫更易于加工且成本更低。然后通过与一氧化硅（SiO）气体反应生成SiC泡沫。

    GA-EMS开发了一种专利申请中的方法，用于生成含有Si和SiO的SiO2气体制造后再渗透进碳泡沫中。释放SiO气体的反应从低至1200°C的温度开始，高度均匀，形成高度结晶的β硅泡沫，预计具有辐照稳定性。改造后的SiC泡沫还保持了原始碳泡沫相同的体积和几何形状，但收缩率<0.5%。

    GA-EMS已成功制造6×6×0.25英寸SiC泡沫板和3×3个×3英寸SiC泡沫槽。它指出，换算步骤没有根本的尺寸限制，Si/SiO的长度是2颗粒可以渗透进碳泡沫中。虽然市面上有大块碳泡沫，但找到理想的孔径和孔隙度可能具有挑战性。三月的文章引用了一些似乎为生产满足核能需求的碳泡沫提供方法的研究，GA-EMS正在持续开发和推广这一硅碳泡沫技术。

    走向制造业，需要革新生产

    回到GA-EMS在燃料棒SiC/SiC包覆方面的进展，以及前进的零部件生产路径。“我们已经从配方材料并在测试试片中验证，转向评估核反应堆中的管状组件—每一步都需要不同的人。”她指出，GA-EMS将制造部门的专家嵌入这些团队。“一旦我们展示了概念验证，就可以考虑成本、设备以及工厂布局。随后，我们将推进试点工厂建设，最终在靠近终端客户的制造设施实现全面生产。”

    GA-EMS与美国国家航空研究所（NIAR）合作，利用自动光纤布置SiGA预预售胶带，开发了硅碳预制剂

    她继续说：“对于CMC，我们需要真正革新生产方法，”共址是关键，在生命周期的正确时间将合适的人聚集在一起—包括开发可标准化、具备可重复性质的配方的创新者，比如如何制作孕期胶带—到工程生产和实施团队。我们与其他公司也有类似的合作方式。这就是MAITrX的精神。”

    “我们还在开发基于物理的建模和仿真技术，以减少所需的实证工作，更高效地指导开发和资格认证。理想情况下，我们能更快实现目标，并以一种已经适合制造业的方式整合技术，从而更快地满足需求。”

    “关键是从原理验证转向以当今变化的速度生产，”巴克说。“人工智能和机器学习正在推动新的开发周期。我们需要将这些能力整合在一起，在合适的地方协作，避免出现那些固有但实际上并未真正推进核能或高超音速能力的孤岛技术。所需的开发过程艰难，但这正是MAITrX所努力的——汇聚必要的合作伙伴和技能，真正高效推动CMC及其他先进材料的工业化。”

    原文《GA-EMSindustrializingSiC/SiCandotherCMCviaMAITrXfacility》

    杨超凡