三维研究揭示U-10Zr燃料孔隙演变

Idaho美国国家实验室和麻省理工学院的研究人员对辐照后的U-10Zr（铀与10%锆的合金）在关键径向区域进行了三维研究，为该材料如何肿胀、传热以及与燃料包壳相互作用提供了新的见解。

U-10Zr曾在历史上的钠冷快堆中经过广泛试验，如今正吸引关注，有望用于下一代先进反应堆。

据MIT介绍，研究人员使用了从快通量试验装置（FFTF）反应堆所用燃料中提取的样品。该反应堆于1982年至1992年在华盛顿州Hanford Site运行。在Brookhaven美国国家实验室进行的实验中，团队利用高能同步辐射X射线计算机断层扫描分析了辐照下形成的孔隙网络和化学变化。

“这项研究帮助我们更准确地模拟燃料中的孔隙分布，”MIT教授Ericmoore Jossou表示。“它还让我们更好地理解孔隙的作用及其重要性，从而为金属燃料在反应堆中的安全运行进行设计。”

在2020年发表的一项早期研究中，一个由Purdue大学牵头的研究团队对辐照后的U-10Zr进行了首次三维表征。该团队研究了从FFTF燃料棒中提取的一个微小样品，确定燃料试样中7.2%为多孔，并发现了三个不同的铀相区域：贫铀区、中间区和富铀区。

这项新研究在此基础上，通过检查来自燃料整个横截面的多个样品，选取了锆含量不同的四个区域。通过用高能X射线轰击样品并观察样品与X射线相互作用如何改变它们，研究人员得以在三维空间中重建燃料的内部孔隙网络，揭示孔隙率、化学以及燃料-包壳相互作用如何沿燃料半径演变。

据MIT介绍，研究人员发现孔隙率从燃料中心向燃料边缘适度增加，但在靠近包壳的燃料边缘处，孔隙密度跃升了两个数量级以上。研究人员还表征了孔隙的大小和形状，发现中心处为小孔隙，这些孔隙转变为朝向外缘的更大孔隙网络。

据Jossou称，包括气体和镧系元素在内的裂变产物可能迁移到包壳并与之反应，导致脆化并损坏燃料系统，而孔隙网络可能促进这种迁移。但他表示，这项研究表明，在高温下，孔隙率也可以作为液态钠流动的通道，从而改善传热，而连通的孔隙可以作为裂变气体的释放通道，降低燃料基体内部应力。

“目前孔隙被模拟为球体；但实际上它们更为复杂，尤其是当许多孔隙合并在一起时，”MIT博士后研究员Anthony Harrup表示。“从中心一直到包壳都是如此。这解释了为什么包壳会以这种方式反应，以及为什么我们会在燃料中看到包壳化学物质。”

总体而言，孔隙率的大小及其分布方式是理解燃料性能和寿命的重要因素。MIT表示，实验发现与某些关于孔隙如何形成以及燃料系统如何肿胀的模型存在差异，这可能改进仿真，帮助反应堆运行更长时间。

“通过这项研究，我们利用先进的计算成像方法进行了前所未有的深入分析，将局部化学环境与孔隙形成关联起来，”Harrup说。“结果表明，环境是富铀还是富锆会影响孔隙的形态和通道。这在以前从未被报道过。”

牛津大学教授Dong Liu未参与此项工作，他表示该研究将三维孔隙率与燃料热物性相关联，令人印象深刻。

“能够在三维空间中直接可视化孔隙连通性和燃料-包壳相互作用，为我们改进钠冷快堆先进金属燃料的性能提供了重要见解，”INL研究员Tiankai Yao表示。