先進(jìn)的核技術(shù)可以為尋求無碳能源解決方案以減少氣候變化影響的國(guó)家發(fā)揮重要作用。世界各地的公司正在開發(fā)先進(jìn)的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)以滿足一系列需求，從用于遠(yuǎn)程應(yīng)用的微型反應(yīng)堆到可以為巨大的城市地區(qū)供電的大型反應(yīng)堆，同時(shí)也為工業(yè)應(yīng)用(如制氫)提供熱量。

雖然這些先進(jìn)的反應(yīng)堆種類繁多，但它們都受益于被動(dòng)和固有的安全設(shè)計(jì)特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使用先進(jìn)的材料來提高安全性、可靠性和性能。

一種固有安全技術(shù)，即TRi結(jié)構(gòu)各向同性粒子燃料(TRISO)，由一個(gè)鈾基燃料內(nèi)核組成，該內(nèi)核被三層碳基和陶瓷基材料包圍，這些材料在反應(yīng)堆環(huán)境中具有化學(xué)和結(jié)構(gòu)上的抗降解性。

由此產(chǎn)生的燃料顆粒大約有罌粟種子大小，可以承受超過3,000華氏度的溫度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)前核燃料的閾值，而不會(huì)熔化或釋放大量裂變產(chǎn)物。

隨著越來越多的反應(yīng)堆公司希望TRISO顆粒為其設(shè)計(jì)提供動(dòng)力，了解這些微小的燃料顆粒在微觀尺度上的表現(xiàn)至關(guān)重要。

愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員首次采用了市售的X射線顯微鏡來檢查輻照TRISO粒子內(nèi)鈾核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這些粒子在INL的先進(jìn)試驗(yàn)反應(yīng)堆中被輻照了560天。

這種核燃料成像技術(shù)的飛躍可以幫助研究人員識(shí)別燃料降解機(jī)制并收集數(shù)據(jù)，為核燃料的計(jì)算機(jī)模型提供信息。這些數(shù)據(jù)有助于公司開發(fā)和鑒定用于其反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的燃料。

圖片的一部分

TRISO燃料顆粒通常通過物理切割顆粒并使用光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡進(jìn)行研究。雖然這些方法為研究人員提供了有用的信息，但它們只顯示了圖片的一部分，并且至少有一部分樣本在此過程中被破壞了。

“我們通常對(duì)樣品進(jìn)行研磨、拋光并檢查橫截面，”專門研究TRISO燃料輻照后檢查的INL科學(xué)家JohnStempien說。“這種技術(shù)效果很好，但要制備橫截面，必須去除部分樣品，并且在該過程中會(huì)丟失一些信息。”

新方法使用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描，這種技術(shù)可以拍攝樣本的多個(gè)2DX射線圖像。然后計(jì)算機(jī)將這些2D圖像組合成3D圖像以供檢查。

過去，研究人員使用X射線成功地檢查了TRISO燃料涂層的碳層和陶瓷層。但鈾核內(nèi)部的高質(zhì)量X射線圖像一直難以捉摸。

充滿偽影的陰影圖像

“鈾很難通過X射線，”INL儀器科學(xué)家NikolausCordes說。“內(nèi)核的低能X射線不是特別準(zhǔn)確。內(nèi)核充當(dāng)光束停止器。你會(huì)得到一個(gè)充滿偽影的陰影圖像。”

這些偽影——圖像中的細(xì)節(jié)并不真正存在，而是低能X射線的副產(chǎn)品——可能會(huì)誤導(dǎo)調(diào)查人員或掩蓋正在檢查的燃料顆粒的重要細(xì)節(jié)。

為了獲得TRISO粒子的高質(zhì)量X射線圖像，Cordes和他的同事使用了高能X射線和一個(gè)特殊的X射線過濾器來阻擋低能X射線。“通過扔掉那些低能量的光子，我們可以防止產(chǎn)生很多人工制品，”科德斯說。

這項(xiàng)新技術(shù)使研究人員能夠無損地對(duì)整個(gè)TRISO粒子進(jìn)行成像。然后，他們可以使用光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡等破壞性技術(shù)來放大有趣的細(xì)節(jié)。

“分析粒子的隨機(jī)碎片就像大海撈針，”專門研究核材料成像和分析的INL研究員WilliamC.Chuirazzi說。“現(xiàn)在，如果我們?cè)?DX射線圖像中看到感興趣的區(qū)域，我們可以使用更具破壞性的技術(shù)來定位它。”

該技術(shù)還可用于檢查燃料元件，其中數(shù)千個(gè)TRISO顆粒嵌入基質(zhì)材料中以插入反應(yīng)堆。

反應(yīng)堆內(nèi)的條件

新的X射線技術(shù)可以幫助回答的一個(gè)具體問題是反應(yīng)堆內(nèi)部的條件(即中子輻射和熱量)如何損壞TRISO粒子的容納層和鈾核。

“我們對(duì)燃料內(nèi)核膨脹以及它如何影響燃料內(nèi)核周圍的低密度碳緩沖層非常感興趣，”Cordes說。

同樣重要的是，新的成像方法可以回答有關(guān)碳化硅層的問題，以及該層是否保持完整而不必破壞樣品。

此外，鈾核可以形成孔隙，使這些裂變產(chǎn)物以成像技術(shù)揭示的意想不到的方式移動(dòng)。

更多更好的計(jì)算機(jī)模型數(shù)據(jù)

新的X射線成像技術(shù)將為進(jìn)一步研究TRISO粒子打開大門，從而提供更多更好的數(shù)據(jù)。然后，該信息可用于開發(fā)TRISO粒子在反應(yīng)堆中的性能的高保真計(jì)算機(jī)模型。

“如果你有一個(gè)可靠的模型，你可以進(jìn)行范圍計(jì)算，以了解燃料在新反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中的表現(xiàn)，而這種設(shè)計(jì)還沒有經(jīng)過測(cè)試，然后必須進(jìn)行一些更昂貴和耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)，”Stempien說。

最后，這些模型和數(shù)據(jù)將幫助反應(yīng)堆開發(fā)商鑒定他們的燃料并駕馭監(jiān)管過程。

“我們希望繼續(xù)這項(xiàng)工作，并獲得可用于模型測(cè)試和驗(yàn)證的樣本的真實(shí)表示，”Cordes說。“這將是INL以及更廣泛的科學(xué)界邁出的重要一步，因?yàn)槲覀冋谂κ瓜乱淮巳剂细咏F(xiàn)實(shí)。”

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