美国爱达荷国家实验室与麻省理工揭示U-10Zr燃料孔隙率分布
维度网讯，爱达荷国家实验室（Idaho National Laboratory）与麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）联合完成了一项针对辐照后U-10Zr（铀-10%锆合金）燃料径向区域的三维研究，揭示了该材料在堆内运行后的膨胀行为、传热特性及其与燃料包壳的相互作用机制。U-10Zr合金曾广泛用于历史钠冷快堆的燃料测试，目前被视为下一代先进反应堆的候选燃料材料。
据麻省理工学院介绍，研究样品取自快通量试验设施（Fast Flux Test Facility, FFTF）反应堆曾使用的燃料。该反应堆于1982年至1992年间在华盛顿州汉福德场区（Hanford Site）运行。实验在布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）开展，团队采用高能同步加速器X射线计算机断层扫描技术，对辐照条件下形成的孔隙网络及燃料化学变化进行了分析。
麻省理工学院教授Ericmoore Jossou表示，该研究使燃料中孔隙分布的模拟更为精确，同时加深了对孔隙作用的认识，可为反应堆金属燃料的安全运行设计提供支撑。2020年发表的一项早期研究中，普渡大学（Purdue University）团队曾对辐照U-10Zr开展首次三维表征，对从FFTF燃料棒中提取的微小样品进行了研究，确定该燃料样品中7.2%的体积为孔隙，并识别出贫铀、中间和富铀三个铀相区域。
此次新研究在燃料整个横截面上的多个位置取样，选取了四个锆含量各异的区域进行分析。研究人员以高能X射线轰击样品并观测其相互作用后的变化，在三维空间中重建了燃料内部的孔隙网络，明确了孔隙率、化学成分以及燃料-包壳相互作用沿燃料半径方向的演变规律。
据麻省理工学院介绍，研究结果显示，孔隙率自燃料中心向边缘方向适度增加，而靠近包壳的燃料边缘区域，孔隙密度出现两个数量级以上的跃升。对孔隙尺寸和形状的表征表明，中心区域的小孔隙向外部延伸，逐步形成指向燃料边缘的大型孔隙网络。
Jossou介绍，包括气体和镧系元素在内的裂变产物会向包壳迁移并与之反应，导致包壳脆化并损害燃料系统，孔隙网络对这一过程具有促进作用。然而研究同时表明，高温条件下孔隙可作为液态钠的流动通道，改善传热效果；连通的孔隙还可充当裂变气体的释放通道，缓解燃料基体内部应力。
麻省理工学院博士后研究员Anthony Harrup指出，当前模型中孔隙被简化为球体，但实际情况复杂得多，尤其当大量孔隙发生合并时；沿燃料中心至包壳方向均存在此类现象，这解释了包壳发生特定反应以及在燃料中发现包壳化学物质的原因。
研究人员认为，孔隙数量及其分布是理解燃料性能和寿命的重要因素。实验观测结果与既有孔隙形成及燃料系统膨胀模型之间存在差异，这些差异信息有望推动模拟方法改进，进而支持反应堆运行寿命的延长。
Harrup表示，通过先进计算成像方法，该研究将局部化学环境与孔隙形成相关联，揭示了富铀或富锆环境对孔隙形貌和通道结构的影响，这一现象此前未见报道。牛津大学（Oxford University）教授Dong Liu（未参与本研究）评价称，该工作将三维孔隙率与燃料热性能联系起来，成果令人印象深刻。爱达荷国家实验室研究员Tiankai Yao表示，在三维空间中直接观测孔隙连通性和燃料-包壳相互作用，为改进钠冷快堆先进金属燃料性能提供了重要参考。
