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該實驗室致力于開發通用原子能公司(GeneralAtomics)各領域使用的材料，正推動核級碳化硅(SiC)纖維的本土化生產，創新碳化硅泡沫技術，并促進合作以加速陶瓷基復合材料(CMC)的生產和商業化進程。
2026年2月，通用原子電磁系統(GA-EMS，美國加利福尼亞州圣地亞哥)宣布與美國田納西州橡樹嶺國家實驗室(ORNL)簽署備忘錄，推動先進陶瓷基復合材料(CMC)的工業制造。根據協議，GA-EMS將利用美國能源部(DOE)位于ORNL的制造示范設施(MDF)資源，研究其陶瓷前驅體、纖維和復合材料的先進制造工藝。
喬治亞-EMS總裁斯科特·福尼(ScottForney)解釋說，目標是加速創新，加強美國關鍵供應鏈，并交付對國家安全和能源安全至關重要的先進物資。“該計劃補充了我們不斷增強的先進材料和技術能力，以及啟動材料加速、創新與轉型交流(MAITrX)實驗室。”MAITrX憑借70多年核能專業知識建立，旨在推動定制先進材料的商業化實施，CMC成為核心。
通用原子公司的先進材料開發中心
通用原子公司由四個主要業務部門及若干關聯公司組成。最知名的關聯公司可能是通用原子航空系統公司(GA-ASI)，該公司生產無人機系統(UAS)，包括MQ-9A死神、MQ-9B天際守護者/海衛、MQ-1C灰鷹以及MQ-20復仇者和Gambit系列。
GA-EMS開發和制造先進的電磁系統，包括為美國海軍設計的電磁飛機發射系統(EMALS-ElectromagneticAircraftLaunchSystem)、軌道炮技術和高功率能量激光器、衛星和空間感測系統、超高速彈丸以及支持下一代裂變能源應用的專用脈沖功率和能量轉換系統。“我們傾向于投資核技術，”克里斯蒂娜·A(ChristinaA)博士說。巴克-GA-EMS核技術與材料副總裁，“同時也涉足支持通用原子及其附屬公司的材料，包括高超音速等領域。復合材料是公司的常見投資，我們開發這些技術并專門針對特定終端產品進行優化。”
CMC材料開發范圍
CW此前報道過GA-EMS開發的SiGA高溫包殼，該包覆材料由碳化硅(SiC)復合材料組成，用于核燃料棒。巴克解釋說，在這種材料中，纖維和基體都構成了結晶β相SiC（β-SiC），因為它能抵抗核反應堆中中子的脆化。目前，這種環境要求在不到5年內更換鋯金屬燃料棒。“在我們正在使用的先進氣冷反應堆中，SiC/SiC包覆燃料棒具有卓越的中子損傷抵抗力，氦冷卻劑的使用壽命可能達30年，”巴克說。
“你也可以在硅合金基體中使用碳纖維，”她繼續說，“我們還在研究一種碳化鋯纖維(ZrC，熔點~3540°C)，但基體不同，可以達到更高的溫度。”碳/碳(碳纖維增強碳基，C/C)也被廣泛應用于高溫應用，“但其缺點是在高溫下存在氧氣時會被侵蝕，這會影響系統設計，使得碳/碳在某些應用中不夠用。”
巴克指出：“SiC是更堅固的基體，具體取決于應用，而C/SiC則試圖利用碳纖維的優勢，碳纖維比SiC纖維更便宜且更容易獲得。”她指出，這些非氧化CMC通常需要纖維與基體之間形成一種界面或涂層，使纖維能夠滑動，“這提供了耐久性所需的偽延展性機械響應。”該界面通常為0.1至1.0微米厚的層，可能包括氮化硼(BN)或熱解碳(PyC)、SiC及多層組合，這些材料在基體滲透前沉積于SiC纖維上。
“這些不同CMC的許多工藝相似，”巴克說，“但你使用的是不同的前體或滲透材料。我們正在探索多種技術，試圖提供一種解決方案的孵化器。我們選擇材料時會考慮最終用途，然后開發技術將其商業化。”
MAITrX作為加速CMC的協作中心
加速、創新和交流是MAITrX的核心支柱。“我們希望匯聚重要理念、人員和組織，以加速像CMC這樣關鍵材料的商業化，”巴克說。“我們不想重塑輪子，而是促進協作。”
GA-EMS正在開發SiGA-FN光纖，以提供美國核級SiC纖維的來源，并利用編織技術制造核燃料棒的SiGA包覆層
MAITrX實驗室在圣地亞哥地區拉荷亞北部的佐治亞州-EMS托里派恩斯設施內擁有65,000平方英尺的空間。“我們涵蓋CMC的整個流程，包括光纖實驗室和復合材料實驗室，”巴克說。“因為我們生產SiC/SiC零件，我們正在將SiC纖維部件，但對于核能應用，我們需要晶體β硅，而目前美國的產量尚不足。”
“我們還擁有編織機、繞線機和擠出機，以及高溫爐和其他加工設備。我們采用的制造方法取決于我們生產的產品。”例如，核燃料棒的SiGA包殼使用編織的SiC/SiC帶制作套筒，然后多次浸入高純度β硅。“我們正通過兩種方式實現這一點，并且已經驗證了所需的組件性能、強度和材料質量，”巴克解釋道。“我們現在的重點是提升制造水平。目前的滲透流程太耗時，我們知道還有改進的辦法。”
“ORNL正在幫助我們解決那個規模化的問題，”她繼續說道。“我們MAITrX實驗室的核心就是真正融合不同的技術部分和技能。所以，我們與不同公司合作完全沒有問題。”
為什么選擇ORNL?
他們是GA-EMS長期合作的合作伙伴，巴克說。“他們比其他國家實驗室更重視先進陶瓷和CMC，設備我們不會投資，直到我們完全驗證出工藝。”
她解釋道：“MAITrX實驗室通常專注于并驅動特定的終端應用。”“我們會看看高超音速飛行器或核熱火箭的需求。但我們沒有像國家實驗室那樣的時間進行探索—他們不像我們那樣在制造最終產品。雖然我們擁有龐大的實驗室設施和制造中心，ORNL在擴大部分工藝方面做了更多探索。例如，你如何纏繞和松開陶瓷預產膠帶，以及你在加工時使用的溫度都很重要。所有這些細節對于邁向工業規模都至關重要，這正是我們與ORNL合作的地方。”
推動SiC/SiC用于下一代核能
2026年3月《核工程雜志》一篇文章詳細介紹了GA-EMS在核裂變和聚變應用中的若干進展，文章中包括巴克博士和MAITrX實驗室負責人赫沙姆·哈利法博士等多位合著者。本文解釋說，為了輻射穩定性，核級SiC/SiC需要使用PyC作為間期，因為BN被視為中子毒物，而化學氣相滲透或化學氣相沉積則更傾向于產生所需的β-SiC基體。據報道，其他基體滲透方法存在問題—如結晶度較低的高分子浸透熱解和未反應游離硅的反應性熔體浸透—這些方法往往使硅質基體不適合照射環境。
CVI使用高溫真空爐分解前驅體氣體，并在SiC纖維預成型體的絲狀物之間沉積到β-SiC。然后重復此過程以使CMC更密。然而，對于核燃料包殼和聚變反應堆組件所需的米長尺度，控制密度均勻性具有挑戰性，且利用CVI尚未展示核級SiC/SiC的產量。
GA-EMSSiC/SiC復合零件：（a）原型SiC/SiC流通道插入件（FCI）;（b）全密閉、長12英尺的SiGA燃料包層，旁邊是GA-EMS試點級CVI/CVD爐;（c）表面光滑的包覆層
三月的文章解釋說，MAITrX實驗室能夠每批制造數百個完整長度、12英尺長、高展弦比的SiC/SiC零件。這些包括用于燃料棒的SiGA包殼，用于改造核裂變反應堆，包括現有的輕水反應堆和高溫氣冷反應堆。MAITrX還為聚變反應堆設計了流通道插入件（FCI-flowchannelinserts）原型，詳見下文。
MAITrX安裝了一座35英尺高的CVI/CVD加工爐，設計每批可生產多達300根SiGA燃料棒。它被用來驗證生產規模擴大的路徑。該設施還具備最終精加工和表面粗糙度控制的加工能力。
“我們取得了巨大進展，”巴克說，“現在開始用公用設施測試樣本。我們的目標是展示這些棒的性能和性能，同時也關注實現過程。”她指出，為了加裝核反應堆，每次更換全部5萬根燃料棒中的三分之一。“我們從個位數擴展到數百根桿，現在正擴展到數萬根。”
“但我們也在看一些配方，”她指出。“我們正在考慮從類似SiC/SiC的預成型體CVI轉向更適合制造的高超音速工藝。我們也看到從碳/碳復合材料轉向更高效工藝的重要性，從配方開始一直到生產和后處理。因此，目標不僅是將零件轉向更堅固、耐高溫的材料以滿足每個應用需求，還要縮短生產時間和零件規模。”
這種制造能力也被用于開發聚變反應堆應用，其中硅化硅/硅化硅對于提高效率、減少維護和延長工廠壽命至關重要。在雙冷鉛鋰毯（DCLL-dual-cooledleadlithiumblanket）設計中，SiC/SiC使元件能夠承受高溫、輻射和等離子體相互作用，同時實現高效的氚增殖。例如，通用原子模塊化毯（GAMBL-GeneralAtomicsModularBlanket）采用了硅化硅/硅質結構支撐，能夠采用輻射冷卻且無需密封，從而實現了多種成本和效率優勢。
硅碳泡沫的規模化生產
硅碳泡沫夾層結構在FCI及其他應用領域已有十余年研究。該型號由Ultramet制造，采用集成鍵合的SiC表皮和芯材
除了單片硅化硅/硅酸外，硅化碳泡沫還提供低熱導率，適用于如FCI的應用，用于引導液態金屬冷卻劑的流動。然而，正如2026年3月文章中所述，SiC泡沫的硬度使其難以加工成目標幾何形狀，而大尺寸SiC泡沫同樣昂貴。與此同時，市面上可獲得的SiC泡沫具有有限的孔隙度選項，可能無法滿足聚變應用所需的熱導率。因此，GA-EMS開發了一種可擴展、低成本的硅碳泡沫制造技術，用于FCI。該工藝并非從硅質化硅開始，而是從碳泡沫開始—碳泡沫更易于加工且成本更低。然后通過與一氧化硅（SiO）氣體反應生成SiC泡沫。
GA-EMS開發了一種專利申請中的方法，用于生成含有Si和SiO的SiO2氣體制造后再滲透進碳泡沫中。釋放SiO氣體的反應從低至1200°C的溫度開始，高度均勻，形成高度結晶的β硅泡沫，預計具有輻照穩定性。改造后的SiC泡沫還保持了原始碳泡沫相同的體積和幾何形狀，但收縮率<0.5%。
GA-EMS已成功制造6×6×0.25英寸SiC泡沫板和3×3個×3英寸SiC泡沫槽。它指出，換算步驟沒有根本的尺寸限制，Si/SiO的長度是2顆粒可以滲透進碳泡沫中。雖然市面上有大塊碳泡沫，但找到理想的孔徑和孔隙度可能具有挑戰性。三月的文章引用了一些似乎為生產滿足核能需求的碳泡沫提供方法的研究，GA-EMS正在持續開發和推廣這一硅碳泡沫技術。
走向制造業，需要革新生產
回到GA-EMS在燃料棒SiC/SiC包覆方面的進展，以及前進的零部件生產路徑。“我們已經從配方材料并在測試試片中驗證，轉向評估核反應堆中的管狀組件—每一步都需要不同的人。”她指出，GA-EMS將制造部門的專家嵌入這些團隊。“一旦我們展示了概念驗證，就可以考慮成本、設備以及工廠布局。隨后，我們將推進試點工廠建設，最終在靠近終端客戶的制造設施實現全面生產。”
GA-EMS與美國國家航空研究所（NIAR）合作，利用自動光纖布置SiGA預預售膠帶，開發了硅碳預制劑
她繼續說：“對于CMC，我們需要真正革新生產方法，”共址是關鍵，在生命周期的正確時間將合適的人聚集在一起—包括開發可標準化、具備可重復性質的配方的創新者，比如如何制作孕期膠帶—到工程生產和實施團隊。我們與其他公司也有類似的合作方式。這就是MAITrX的精神。”
“我們還在開發基于物理的建模和仿真技術，以減少所需的實證工作，更高效地指導開發和資格認證。理想情況下，我們能更快實現目標，并以一種已經適合制造業的方式整合技術，從而更快地滿足需求。”
“關鍵是從原理驗證轉向以當今變化的速度生產，”巴克說。“人工智能和機器學習正在推動新的開發周期。我們需要將這些能力整合在一起，在合適的地方協作，避免出現那些固有但實際上并未真正推進核能或高超音速能力的孤島技術。所需的開發過程艱難，但這正是MAITrX所努力的——匯聚必要的合作伙伴和技能，真正高效推動CMC及其他先進材料的工業化。”
原文《GA-EMSindustrializingSiC/SiCandotherCMCviaMAITrXfacility》
楊超凡