陈皓生

清华大学摩擦学国家重点实验室

核电是最有发展前景的清洁能源之一。目前全球有19个国家的核电发电占全国发电量的25%以上，但是我国只有2%左右。我国自主研发的高温气冷堆是下一代先进核电技术，其中采用包覆性球形燃料可以实现更安全、更高效和更清洁的能量产出。

图1. 核电在我国发电量中的占比（左图）；不同尺寸燃料微球的填充（中图）；包覆型燃料微球的结构（右图）。

为进一步提高球形核燃料的填充率，需要更小尺寸的微球，并要求具有更高的尺寸均一性和高球形度，这对传统的制备方法和制备提出了挑战：如何能将高粘度的溶胶制备成几十到几百微米的微球，并保证每一个微球的大小一致？如何能保证这么小的微球在制备过程中保证高的球形度？如何能让这么小的微球还具有包覆壳层结构？

为解决上述的复合结构核燃料微球的制造问题，清华大学摩擦学国家重点实验室陈皓生副教授课题组设计了一种利用微流体技术的微流成形制造方法，在微米尺度的管道中，通过控制不同成分流体的流动，形成大小均一且具有复合结构的微球，实现对上述微小尺度燃料微球的制造。

在制造的过程中，形成了液滴反向流动技术实现对高粘度液滴的成形、利用双乳化技术保证了液滴凝胶过程中的球形度、设计了滚动对中的方法实现了包覆壳层的均匀性，如图2所示；并发展出并行生产技术和并行通道芯片提高了微球的产率。

图2. 微流成形复合结构燃料微球的制备工艺流程图（上图）；溶胶液滴的成形、固化、包覆以及烧结以后的微球图片（下图）。