新技术无损检测燃料包壳

瑞士Paul Scherrer Institute的一个研究团队发表了一篇论文，概述了一种评估锆合金燃料棒包壳结构完整性的新方法。

在发表于期刊Advanced Engineering Materials的论文中，该团队介绍了叠层成像X射线计算机断层扫描（PXCT）技术的应用。这项技术是在Paul Scherrer Institute的Swiss Light Source设施开发的。这种无透镜扫描技术能够生成复杂材料的高分辨率三维图像，并且可以在不破坏被分析样品的情况下构建图像，这是它相较于电子显微镜的一项优势。

在研究中，该团队探索了利用PXCT检测核燃料包壳管上氧化锆密度的方法。数十年来，锆合金一直被用于制造包壳，即核燃料组件中包覆燃料芯块的保护管。这是因为锆能够耐腐蚀和高温，并且对裂变反应产生的中子吸收率较低，使这些反应能够在轻水堆内持续进行。

接触反应堆冷却水会导致锆合金氧化，并生成氧化锆膜。该团队在论文中指出，由于反应堆运行期间发生的化学过程，氧化锆会“发展形成一种复杂结构，其特征包括多种微观结构、氧化物相和裂纹”，以及随氧化层厚度变化的孔隙。该氧化层具有保护作用，可作为半导体运行，并减少随后可能被氧化的锆量；如果该氧化层发生劣化，燃料包壳的结构完整性就可能受损。

该团队着手解决的难题是氧化锆层密度难以测量。锆合金包壳管上的氧化层通常仅有数十微米厚。（相比之下，一根人类头发的直径通常为50至100微米。）过去曾使用阻抗谱、扫描电子显微镜和复型透射电子显微镜等技术，但研究人员希望找到一种能够得出更真实评估结果的技术。

在研究中，该团队从曾在压水堆中使用过的燃料包壳管表面切取氧化锆层，并借助聚焦离子束将其加工成厚度约为20微米的三维圆柱形样品。随后，研究人员对样品进行了PXCT扫描。此外，他们还分析了来自在高压釜中运行的包壳管的类似样品。这些包壳管曾暴露于与核反应堆内相似的高温高压条件下，但未受到辐照。

在检查取自使用过的燃料棒的样品时，该团队发现，他们能够检测到锆合金层中小至80纳米的孔隙。凭借记录的精确测量结果，并结合对氧化锆性质的了解所开展的分析，他们得出了结论。用团队成员Liliana Duarte的话说，“包壳管上的保护性氧化层即使在使用多年后仍保持完整，并继续发挥其作用。”

此外，取自在高压釜中放置过的包壳管的样品，其测得密度与来自使用过的燃料组件的样品大致相当。结果的相似性表明，未来对燃料包壳材料开展研究时，部分工作或许可以不使用取自使用过的燃料棒的放射性材料。