世界上首次观察未来核燃料的原子尺度展示了铬如何提高性能

合作研究表明，一种可以添加到先进燃料中的材料会在某些区域积聚，从而赋予其所需的性能，这在世界上尚属首次。威尔士班戈大学使用英国国家核实验室极其强大的显微镜帮助分析了西屋公司生产的燃料。

发表在《核材料杂志》上的结果将有助于未来反应堆技术的决策。

核燃料的结构

当你观察原子如何组合在一起时，你会发现许多材料都具有晶体结构。就像碳可以形成钻石一样，金属和金属氧化物也可以形成晶体。这些晶体很小，直径通常不超过几十微米，并且以随机方向组合在一起。每个晶体被称为一个晶粒。尺寸、形状和成分以及它们的组合方式都会影响材料的性能。

某些类型的核燃料是由二氧化铀制成的，二氧化铀是一种粉末，在称为烧结的过程中被压制和加热，形成固体颗粒。二氧化铀已在世界各地的核反应堆中使用了数十年。未来，先进的反应堆可能会对燃料进行一些细微的改变，作为提高反应堆性能的一种方式。

国家核实验室燃料制造研究员兼高级技术负责人戴夫·戈达德(DaveGoddard)表示：“核燃料已经发展了数十年，随着分析技术的发展，我们有新的机会收集更多信息，从而获得更深入的见解。”

“这一发展的一个方面是研究如何将铬等化学元素添加到燃料中，这将带来许多好处。能够在原子尺度上观察燃料是一项真正了不起的成就，这一成就已经成为可能通过NNL、班戈大学和西屋电气之间的合作。”

可以将氧化铬添加到燃料中以改善烧结过程，从而产生具有更大颗粒的更致密的颗粒。由于核反应堆的最终目的是产生可用于其他过程(例如产生低碳电力)的热量，因此较大的颗粒有助于传热。

颗粒之间可能存在微小的空间。虽然它们不超过几个原子的厚度，但它们足以影响热量在燃料颗粒上传递的方式，并且它们为一些气体提供了隐藏的空间。较大的颗粒意味着每个颗粒含有较少的颗粒，并且所以微小的空间会更少。

班戈大学的西蒙·米德尔堡教授表示，“科学家们早就知道添加铬可以改善烧结过程，尽管模型表明这可能是由于铬位于颗粒边缘造成的，但没有人知道这一点。”仔细观察燃料，可以清楚地了解正在发生的情况。”

收集新信息的独特机会

国家核实验室在开发核燃料方面拥有悠久的历史，并且拥有一套适用于处理放射性材料的强大显微镜。这些显微镜通过国家核用户设施向更广泛的核界提供。米德尔堡教授说：“如果没有国家核用户设施的支持，这项重要研究永远不会实现。定期会议提供了与国家核实验室专家会面并形成合作的绝佳机会。”

与实验室中通常使用可见光的显微镜不同，这些功能更强大的显微镜使用电子束。电子与材料的相互作用可用于生成分辨率如此之高的图像，以至于可以看到单个原子。

用这些强大的电子显微镜观察燃料颗粒，可以看到颗粒中原子的规则排列。仔细检查晶界，很明显这些晶界是无序的。含铬燃料中的晶界约为三个原子厚，但纯二氧化铀中的晶界通常更小。最引人注目的是，晶界处的铬含量高于晶粒其余部分。

小规模的变化对燃料性能有很大影响

在研究过程中，燃料是通过商业方法生产的，包括在氢气和二氧化碳气氛中将其加热到1,770°C以上。在以这种方式制造的燃料中添加铬会影响晶界的结构和化学性质。尽管氧化铬应与二氧化铀混合，但它会在烧结过程中分离出来。观察这些无序的富铬晶界为更大晶粒的形成方式提供了线索。

国家核实验室的高级电子显微镜专家AdamQaisar博士说：“进行令人兴奋的研究是我们的动力。能够看到单个原子正在做什么是令人着迷的，只有通过应用我们在纳米分析方面的专业知识，这才有可能实现。”“我们在最先进的显微镜上投资了数百万英镑。这种详细的分析扩展了我们对核燃料的丰富知识，有助于开发有助于实现净零排放的先进技术。”

这些发现意味着新型核燃料可以比传统二氧化铀在更广泛的条件下工作。无序的晶界应该使芯块粘附在包含它们的包壳上，从而改善流向反应堆冷却剂的热能，使其更加高效。

辐射可以将原子从晶体结构中剔除，但无序的晶界受影响较小，甚至可以阻止晶体结构发生变化。铀的裂变会在燃料中形成不同的化学元素，这也会使结构发生变化。富铬晶界及其无序结构将使晶粒相互滑过。这意味着它们可以改变形状而不增加燃料包壳中的机械应力。所有这些都意味着燃料将非常强大。

西屋公司燃料制造和加工工程师马蒂亚斯·普伊德(MattiasPuide)表示：“我们很早就知道，添加极少量的其他元素可以在燃料密度、晶粒尺寸和高温下材料蠕变方面带来相当大的好处。这些掺杂剂是在晶粒主体中起作用还是在晶界中起作用一直存在争议。”

“这些新的测量结果清楚地表明，添加的铬在晶界中发挥作用。这使我们能够更好地了解掺杂剂的工作原理，并且这些知识将有利于新燃料的进一步开发。”

燃料的如此微小的变化可以极大地提高反应堆的性能。核电等高效清洁能源将为实现净零排放目标和帮助解决能源危机做出重要贡献。

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