研究揭示铀锆金属核燃料内部三维孔隙网络

麻省理工学院(MIT)研究人员与爱达荷国家实验室(INL)合作，对辐照后的铀-10锆金属燃料开展三维成像研究，揭示了燃料内部孔隙网络及其与化学变化、燃料包壳相互作用之间的关系。研究人员认为，这些结果有助于改进金属燃料性能模型，为部分反应堆延长运行周期以及下一代钠冷快堆燃料系统设计提供参考。

铀-10锆(U-10Zr)是一种含10%锆的铀锆合金金属燃料，曾在实验增殖反应堆二号(EBR-II)和快通量试验设施(FFTF)等钠冷快堆中进行过广泛试验。随着先进反应堆研发推进，这类金属燃料重新受到关注，但其在反应堆辐照条件下的孔隙形成、膨胀、传热以及与包壳材料相互作用的细节仍有待进一步厘清。

在反应堆运行过程中，核燃料内的重原子发生裂变，产生裂变产物并引发材料缺陷。这些缺陷会影响燃料膨胀、热量传递和化学迁移。对于钠冷快堆而言，燃料通常封装在金属包壳内，燃料与包壳之间的化学作用可能导致裂变气体、稀土元素等向包壳迁移，进而影响包壳完整性和燃料系统寿命。

此次研究使用的燃料样品来自快通量试验设施。爱达荷国家实验室负责样品管理和制备，研究团队随后利用布鲁克海文国家实验室(BNL)的高能同步辐射X射线计算机断层扫描技术，对辐照后的U-10Zr燃料进行三维重建，观察燃料半径方向上孔隙率、孔隙形貌、化学成分以及燃料—包壳相互作用的变化。

结果显示，燃料孔隙率从中心向边缘略有增加，但在靠近包壳区域，孔隙密度跃升两个数量级以上。研究人员还发现，燃料中心区域以较小孔隙为主，越靠近边缘，孔隙逐渐演化为更大、更复杂且具有连通性的网络结构。这与以往将孔隙简化为球形的模型存在差异。

论文第一作者、麻省理工学院博士后安东尼·哈鲁普(Anthony Harrup)表示，实际孔隙结构远比球形模型复杂，尤其是在多个孔隙相互合并后。这种结构有助于解释包壳反应方式，以及为何能在燃料内部观察到与包壳相关的化学成分。

研究还将孔隙形貌与局部化学环境联系起来。团队发现，富铀区域和富锆区域会影响孔隙形态及其连通方式。靠近燃料边缘的孔隙网络一方面可能为裂变产物和镧系元素迁移提供通道，另一方面也会改变热传递过程，从而影响燃料性能和服役寿命。

麻省理工学院核科学与工程教授埃里克摩尔·乔苏(Eremore Jossou)表示，这项研究有助于更准确地模拟燃料中的孔隙分布，并进一步理解孔隙在金属燃料安全运行中的作用。研究团队认为，在高温条件下，连通孔隙并不一定只带来负面影响;它们可能为液态钠在燃料内部流动提供通道，帮助维持热导率，同时也可能成为裂变气体释放路径，降低燃料基体内部应力。

该研究由美国能源部核能办公室(DOE Office of Nuclear Energy)资助，并使用了布鲁克海文国家实验室和爱达荷国家实验室的相关资源。研究人员表示，后续模型若能纳入三维孔隙拓扑结构，将有助于更准确评估钠冷快堆金属燃料的热性能、包壳相容性和长期运行行为。