圖片：NIKOLAUS CORDES，INL 儀器科學家，在 X 射線顯微鏡下工作。

圖片來源：CHRIS MORGAN/愛達荷國家實驗室

先進的核技術(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家發(fā)揮重要作用。

世界各地的公司正在開發(fā)先進的反應堆設計以滿足一系列需求，從用于遠程應用的微型反應堆到可以為巨大的城市地區(qū)供電的大型反應堆，同時也為工業(yè)應用(如制氫)提供熱量。

雖然這些先進的反應堆種類繁多，但它們都受益于被動和固有的安全設計特點，這些特點使用先進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，這些材料在反應堆環(huán)境中具有化學和結(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，遠遠超過當前核燃料的閾值，而不會熔化或釋放大量裂變產(chǎn)物。

隨著越來越多的反應堆公司尋求 TRISO 顆粒為其設計提供動力，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。

愛達荷國家實驗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 的先進試驗反應堆中被輻照了 560 天。

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

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顯微鏡或掃描電子顯微鏡進行研究。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。

“我們通常對樣品進行研磨、拋光并檢查橫截面，”專門研究 TRISO 燃料輻照后檢查的 INL 科學家 John Stempien 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，并且在該過程中會丟失一些信息。”

新方法使用X 射線計算機斷層掃描，這種技術(shù)可以拍攝樣本的多個2DX射線圖像。然后計算機將這些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 的分析和材料化學家 Nikolaus Cordes 說。“內(nèi)核的低能 X 射線并不是特別準確。內(nèi)核充當光束停止器。你會得到一個充滿偽影的陰影圖像。”

這些偽影——圖像中的細節(jié)并不真正存在，而是低能X 射線的副產(chǎn)品——可能會誤導調(diào)查人員或掩蓋正在檢查的燃料粒子的重要細節(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 射線和一種特殊的X 射線濾光片來阻擋低能X 射線。“通過丟棄那些低能量的光子，我們可以防止產(chǎn)生大量的人工制品，”Cordes 說。

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

“分析粒子的隨機碎片就像大海撈針，”專門研究核材料成像和分析的 INL 研究員William C. Chuirazzi說。“現(xiàn)在，如果我們在3DX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 TRISO 顆粒嵌入基質(zhì)材料中以插入反應堆。

反應堆內(nèi)的條件

新的X 射線技術(shù)可以幫助回答的一個具體問題是反應堆內(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)所揭示的意想不到的方式移動。

更多更好的計算機模型數(shù)據(jù)

新的X射線成像技術(shù)將為進一步研究 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 粒子在反應堆中的性能的高保真計算機模型。

“如果你有一個可靠的模型，你可以進行范圍計算，以了解燃料在新反應堆設計中的表現(xiàn)，而這種設計尚未經(jīng)過測試，然后必須進行一些更昂貴和耗時的實驗，”Stempien 說。

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

“我們希望繼續(xù)這項工作，并獲得可用于模型測試和驗證的樣本的真實表示，”Cordes 說。“這將是 INL 以及更廣泛的科學界邁出的重要一步，因為我們正在努力使下一代核燃料更接近現(xiàn)實。”

關(guān)于愛達荷州國家實驗室

Battelle Energy Alliance 為美國能源部核能辦公室管理 INL。INL 是美國核能研發(fā)中心，也在能源部的每個戰(zhàn)略目標領域進行研究：能源、國家安全、科學和環(huán)境。