辐照核燃料样品的3-D图像重建，显示了与孔共存的三个阈值铀相。图片来源：Maria Okuniewski /普渡大学

在一项需要毅力，世界领先的技术和不小的警惕的壮举中，科学家使用了强烈的X射线来检查辐照的核燃料。由普渡大学研究人员领导并在美国能源部(DOE)阿贡国家实验室进行的成像显示了燃料内部结构的3-D视图，为更好的核燃料设计和模型奠定了基础。

到目前为止，铀燃料的检查仅限于表面显微镜检查或使用放射性很少的模拟样品进行的各种表征技术。但是科学家们想更深入地了解物质在核反应堆内部发生裂变时如何变化。这项研究得出的见解(《核材料杂志》于2020年8月发表)可以使核燃料发挥更高的作用，开发成本更低。

为了获得所研究的铀锆燃料的内部视图，研究人员切开了一些小到足以安全处理的废燃料，这种能力仅在过去七年中得到了发展。然后，为了看到这个微小的金属样本，他们转向位于阿贡的美国能源部科学用户设施高级光子源(APS)。

数十年来的研究

在研究人员完成分离燃料样本并将其放置在X射线束下的艰巨任务之前，他们需要找到合适的样本。他们研究了由美国能源部爱达荷州国家实验室(INL)存档的燃料，他们确定了一种铀-锆燃料，该燃料在华盛顿州汉福德的快速通量试验设施中以全功率运行了总共两年，并于1990年代初从反应堆中移出。 。

普渡大学(Purdue University)材料工程助理教授，该论文的主要作者玛丽亚·奥库尼耶夫斯基(Maria Okuniewski)说：“我们必须等数十年才能使这种燃料放射性地冷却或衰减。” “从字面上看，这是我们可以根据INL和APS所允许的安全准则将其移除的最冷的标本。”

从放射学上来说，即使是最凉爽的乏燃料标本，仍以其原始尺寸仍过高。样品取自较大的燃料销，高度不到四分之一英寸，但在30厘米的距离处每小时测得1200毫雷姆，辐射水平是APS允许限值的240倍。

为了降低放射性，研究人员在INL处使用了聚焦离子束和扫描电子显微镜，以创建更小的样品。该工具使他们能够查明感兴趣的区域并部署离子流，这些离子流基本上可以磨碎一堆材料。所得样品的直径大约为100微米，不大于人类头发的直径。

Okuniewski说：“使用这种新仪器已经走了很长一段路，它使我们能够获得足够小且安全且易于处理的样品。”

将微型样品安装在销钉上，装入双壁管中，然后送至Argonne，并进行多次辐射检查，以确保整个过程的安全性。

在中子辐照铀锆燃料中观察到五个孔隙阶段。信用：普渡大学工程学院

在Argonne，普渡大学的研究团队与射线束1-ID-E(APS的高亮度X射线源)的科学家合作，检查了样品。目标：观察中子轰击两年后铀锆燃料的内部外观。

“我们实际上是在谈论用肉眼几乎看不到的灰尘，它是如此之小，”阿贡大学X射线科学部物理学家，研究合著者彼得·肯内塞(Peter Kenesei)说。“但这也是非常致密的材料，因此您需要足够强度的高能X射线才能穿透和研究它。”

所用的技术是微计算机断层扫描，它以高分辨率检测X射线束出现在样品另一侧的情况。从燃油旋转时拍摄的多个图像中，计算机可以根据其如何改变入射光束来重建其内部特征，类似于医学CT扫描。

Kenesei说：“ 1-ID-E光束线的灵活性以及Argonne在安全处理核材料方面的专业知识，使我们能够设计和进行像这样的独特实验，”。

仔细观察燃油膨胀

Okuniewski和她的同事尤其对肿胀现象感兴趣。核燃料通过吸收一个铀原子并将其分裂为两个来产生能量，而这种裂变过程会产生副产品，例如氙气和金属，例如钯和钕。随着原子分裂和裂变产物积累，燃料的体积会增加。

任何给定的核燃料的安全性和寿命取决于能否预测其膨胀量。膨胀过多会导致铀与其保护性外层(称为覆层)发生反应，甚至可能破裂。为了防止这种情况的发生，工程师依靠燃料性能代码，该代码是计算机模型，可以模拟燃料在反应堆中的行为的各个方面，例如温度会变高以及其成分在空间中如何重新分布。

Okuniewski说：“在每种燃料中，膨胀都是一个问题。” “这些燃料的设计使得内芯在接触包壳之前可以自由膨胀至特定高度。”

APS的研究除了提供更清晰，局部的燃料结构和随时间推移而发展出的不同物质相的图像外，还显示出裂变气体的释放可能会继续发生，超出先前分析所假定的阈值。这种类型的数据可以帮助增强燃料性能代码，进而有助于降低燃料开发成本，因为可靠的计算机模拟可以最大程度地减少所需的昂贵辐射测试的次数。

Okuniewski说：“我们一直在核能界内努力寻找可以改善燃料性能法规的方法。” “这是做到这一点的一种方法。现在我们有了我们以前根本没有的三维洞察力。”