美国HFIR研究反应堆助推新型核燃料验证

美国能源部 (DOE) 位于橡树岭国家实验室 (ORNL) 的高通量同位素反应堆 (HFIR)，正在成为美国新型核燃料研发和鉴定体系中的关键设施。8月25日发布的一篇研究论文指出，在美国商业核电和先进反应堆建设需求增长的背景下，可用于新型燃料测试的研究反应堆资源趋于紧张，HFIR有望缓解相关试验能力不足的问题。

图片来源：Gunes Ozcan/橡树岭国家实验室，美国能源部

HFIR是全球中子通量最高的稳态研究反应堆之一，长期用于核燃料和材料辐照试验。论文认为，该反应堆能够提供验证新型燃料所需的重要数据，为延长反应堆寿命、提升运行效率以及推动先进反应堆技术部署提供支撑。

在试验适应性方面，HFIR可覆盖多种测试条件和实验平台。该反应堆设有三个主要辐照区域，可布置小型“兔式”辐照胶囊。这类胶囊设计、制造和部署周期较短，可放入反应堆中心的通量阱，使样品接受最高水平的中子通量。HFIR的可拆卸铍反射层区和永久铍反射层区还可用于规模更大、结构更复杂的辐照实验，包括配备仪器、传感器或热中子屏蔽装置的试验，以调节中子通量谱。

在燃料研发方面，橡树岭国家实验室长期利用HFIR开展分离效应试验和整体燃料试验。该反应堆曾在高温气冷堆燃料架构研发中发挥重要作用，特别是三结构各向同性 (TRISO) 燃料颗粒相关研究。近期，研究人员还基于微型燃料 (MiniFuel) 概念开展试验，辐照对象包括事故容错燃料 (ATF)、涂层燃料颗粒和金属燃料等。这些工作与HFIR通量阱内开展的大量燃料包壳辐照实验形成补充。

HFIR的现代化改造进一步增强了仪器化实验能力。通过材料辐照装置 (MIF)，ORNL可利用受控吹扫气体混合物调节温度，并在同一实验中独立控制多个温度区域。自动化监测系统能够持续跟踪温度、压力和气体成分，并支持研究人员远程实时监测和调整实验参数。相关能力已用于TRISO燃料在辐照过程中的裂变气体释放测试，显示HFIR可同时支持多个复杂高通量实验。

论文还指出，HFIR获取的燃料性能数据可为美国核管理委员会 (NRC) 进行核燃料鉴定提供技术依据。这些数据涉及裂变气体释放、微观结构演变以及燃料与包壳相互作用等关键性能指标，可用于验证燃料性能、支撑安全分析，并为新型燃料监管审评相关技术报告提供基础。

HFIR所在的ORNL园区还配套有较完整的核燃料检测和分析设施，包括包覆颗粒燃料开发实验室、低活化材料开发与分析实验室、辐照燃料检测实验室以及辐照材料检测与测试设施。依托这些设施和ORNL长期积累的燃料研发经验，HFIR已形成覆盖燃料制备、辐照、检测和分析的综合试验平台。

研究认为，随着电力公司推动现有反应堆延寿，先进反应堆开发商加快商业化进程，HFIR在快速获取高质量燃料数据、推动燃料从概念阶段走向监管认证阶段方面仍将发挥重要作用。该研究由美国能源部核能办公室先进燃料计划支持。