克里斯蒂娜·努内斯，阿尔贡国家实验室 辐照燃料样品的三维图像重建，显示与孔隙共存的三个阈值铀相
学分:玛丽亚·奥库涅夫斯基/普渡大学 在一项需要毅力、世界领先的技术和不小的谨慎的壮举中，科学家们使用了强x光来检查辐照核燃料
该成像由普渡大学的研究人员领导，在美国大学进行
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能源部阿贡国家实验室展示了燃料内部结构的三维视图，为更好的核燃料设计和模型奠定了基础
迄今为止，对铀燃料的检查主要限于表面显微镜检查或使用几乎没有放射性的模拟版本的各种表征技术
但是科学家们想在更深的层次上了解这种物质在核反应堆中发生裂变时是如何变化的
这项研究发表在2020年8月的《核材料杂志》上，从中得出的见解可以使核燃料发挥更有效的作用，开发成本更低
为了获得所研究的铀锆燃料的内部视图，研究人员将一点用过的燃料分割开来，这些燃料小到足以安全处理——这种能力是在过去七年中才发展起来的
然后，为了看到这个微小的金属样本，他们转向位于阿尔贡的美国能源部科学用户办公室的高级光子源
一项酝酿了几十年的研究 在研究人员着手分离燃料样本并将其置于x光束下的艰巨任务之前，他们需要找到正确的样本
在探索美国能源部爱达荷国家实验室(INL)存档的燃料时，他们发现了一种铀锆燃料，这种燃料在华盛顿州汉福德的快速通量试验设施中以满功率运行了整整两年，并于20世纪90年代初从反应堆中移除
“我们必须等几十年，才能让这种燃料在辐射上冷却或衰变，”该论文的主要作者、普渡大学材料工程助理教授玛丽亚·奥库涅夫斯基说
“根据INL和APS允许的安全指南，这确实是我们能移除的最酷的样本
" 从放射学角度来说，即使是现有的最冷的乏燃料样本，其原始尺寸也仍然太热
从一个较大的燃料棒上采集的样本，高度不到四分之一英寸，但在30厘米的距离上测得的辐射水平为每小时1200毫雷姆，是美国物理学会允许极限的240倍
为了降低放射性，研究人员在INL使用聚焦离子束和扫描电子显微镜制作了一个小得多的样品
该工具使他们能够精确定位感兴趣的区域，并部署一股离子流，基本上研磨出一个立方体的材料
最终得到的样本直径约为100微米，不大于人类头发的直径
奥库涅夫斯基说:“我们用这种新仪器已经走了很长一段路，它能让我们获得足够小的样本，既安全又容易处理。”
这个微小的样本被安装在一个销钉上，装在一个双层壁的管子里，并被送到阿尔贡，同时进行多次辐射检查以确保沿途的安全
中子辐照铀锆燃料中观察到的五个孔隙阶段
学分:普渡大学工程学院 在阿尔贡，普渡研究小组与美国物理学会的高亮度x光源束线1-ID-E的科学家一起检查样本
目标:观察铀锆燃料在被中子轰击两年后内部的样子
阿尔贡x光科学部门的物理学家、该研究的合著者彼得·肯内塞说:“我们实际上是在谈论一块肉眼几乎看不见的尘埃——它那么小。”
“但这也是非常致密的材料，所以你需要足够强度的高能x光来穿透和研究它
" 所使用的技术，微型计算机断层扫描，在x光束出现在样本的另一侧时，以高分辨率检测它
根据燃料旋转时拍摄的多幅图像，计算机可以根据它如何改变入射光束来重建其内部特征，类似于医学ct扫描
“1-ID-E束线的灵活性，加上阿尔贡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这样一个独特的实验，”肯内塞说
仔细看看燃料膨胀 特别是，奥库涅夫斯基和她的同事对肿胀现象很感兴趣
核燃料通过将一个铀原子分裂成两个来产生能量，这种裂变过程会产生副产品，如氙气和钯、钕等金属
随着原子分裂和裂变产物积累，燃料体积增大
任何特定核燃料的安全性和寿命取决于能否预测它会膨胀多少
太多的膨胀会导致铀与其被称为包层的保护外层发生反应，并可能破裂
为了防止这种情况发生，工程师们依赖于燃料性能代码，这是一种计算机模型，可以模拟燃料在反应堆中行为的各个方面，比如它的温度会有多高，它的成分如何在空间中重新分布
“在每一种燃料类型中，膨胀都是一个问题，”奥库涅夫斯基说
“这些燃料的设计使得内核在接触包层之前可以自由膨胀到特定的程度
" 除了提供燃料结构和随时间发展的不同材料相的更清晰、局部的图像外，美国物理学会的研究揭示了裂变气体的释放可能继续发生在先前分析假设的阈值之外的证据
这类数据有助于加强燃料性能代码，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限度地减少所需的昂贵辐照试验次数
奥库涅夫斯基说:“我们一直在核能界努力找出改进燃料性能代码的方法。”
“这是一种方法
现在我们有了以前完全没有的三维视角
"
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