写的AZoM2021年1月21日
在一项需要尖端技术、坚持不懈和高度谨慎的突破性成就中，研究人员有效地利用了强大的x射线来研究辐照的核燃料。
一个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。图片来源:Maria Okuniewski/普渡大学。
成像，由普渡大学的研究人员领导，并在阿贡国家实验室近日，美国能源部(DOE)公布了核燃料内部结构的三维视图，为进一步改进核燃料的设计和模型奠定了基础。
迄今为止，对铀燃料的分析在很大程度上局限于表面显微镜或使用含有可忽略的放射性的模拟版本的许多表征方法。然而，研究人员希望更深入地了解这种物质在核反应堆中发生裂变时是如何发生变化的。
从这项研究工作中获得的见解，可以使核燃料不仅工作效率更高，而且设计成本更低。这项研究发表在核材料学报欧洲杯足球竞彩2020年8月。
为了可视化分析的铀锆燃料的内部结构，研究小组将使用过的燃料的一小部分分割开来，这部分足够小，便于安全管理——这一能力是在过去7年里才实现的。
然后，为了得到这个小金属元素的内部视图，研究人员寻求了先进光子源(APS)的帮助——美国能源部科学用户设施办公室位于阿贡国家实验室。欧洲杯线上买球
一项持续数十年的研究
但在完成分离燃料样本并将其置于x射线束下这一艰巨任务之前，研究人员需要确定合适的样本。
在调查了能源部爱达荷国家实验室(INL)存档的燃料后，该团队最终发现了一种铀锆燃料。这种燃料在位于华盛顿汉福德的快速通量测试设施中满功率运行了两年，并在1990年代初从反应堆中移除。
我们不得不等上几十年，才能让这些燃料通过放射性手段冷却或衰变。根据两家公司的安全规定，这是我们能取出的最酷的样品INL和APS．
Maria Okuniewski，该研究的主要作者，普渡大学材料工程助理教授欧洲杯足球竞彩
从放射学的角度来看，即使是最冷的乏燃料样本，在其原始的尺寸下仍然是非常热的。从一个更大的燃料针上采集的样本，高度测量不到四分之一英寸，但在30厘米的距离内每小时测量1200毫雷姆——这是APS允许极限的240倍。
为了将放射性水平降到最低，研究人员在国际实验室使用聚焦离子束扫描电子显微镜制作了一个相对较小的样本。这个工具使他们能够精确定位目标区域，并部署一束离子，从根本上磨出一个立方体的材料。这样得到的样品大约100µm，不大于人类一根头发的宽度。
我们在这个新的仪器上取得了很大的进步，使我们能够获得足够小的、安全且易于操作的样本．
Maria Okuniewski，该研究的主要作者，普渡大学材料工程助理教授欧洲杯足球竞彩
这个微小的样本被放在一个大头针上，用一根双壁管包裹起来，然后被送到阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)，一路上经过无数次辐射检查，以确保安全。
在阿贡国家实验室，来自普渡大学的研究人员与来自aps的高亮度x射线源1- id - e的研究人员一起研究了这个标本。该小组的目标是在铀锆燃料被中子撞击后的几年里，获得其内部的视图。
我们说的是一粒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射线来穿透和研究它．
Peter Kenesei，研究合著者和物理学家，x射线科学部，阿贡国家实验室欧洲杯线上买球
研究人员使用了一种叫做微计算机断层扫描的方法，当x射线出现在标本的另一侧时，这种方法能够以高分辨率检测到它。通过使用燃料旋转过程中捕捉到的大量图像，计算机可以根据燃料对入射光束的修改方式重建燃料的内部特征，就像医学上的CT扫描一样。
”1-ID-E光束线的灵活性，加上阿贡在安全处理核材料方面的专长，使我们能够设计并进行这样一个独特的实验欧洲杯足球竞彩”Kenesei补充道。
近距离观察燃料膨胀
Okuniewski和她的合作者对肿胀现象特别感兴趣。为了产生能源，核燃料把一个铀原子分裂成两个。这个裂变过程会产生副产物，如气体氙和金属，如钕和钯。当原子分裂并产生裂变产物时，燃料的体积就会增加。
任何特定核燃料的寿命和安全性都依赖于估算其膨胀程度的能力。过度膨胀会导致铀与其外层保护层发生反应，甚至可能破坏其外层保护层。因此，为了防止这种情况的发生，工程师们依赖于燃料性能代码，这本质上是复制反应堆中燃料行为的许多特征的计算机模型，比如它的组件如何在空间中重新分布，以及燃料在温度下会变得多热。
”在每一种燃料类型中，膨胀都是一个问题。这些燃料的设计使内芯在接触到包层之前可以自由膨胀到特定的水平”Okuniewski补充道。
除了提供一个清晰的和局部的照片燃料的结构和材料的不同阶段发展随着时间的推移,APS的研究工作进行了明确表明,裂变气体的排放可能继续发生超出阈值相信早期的研究。
这类数据有助于加强燃料性能守则，从而进一步减少燃料开发所涉及的费用，因为连贯一致的计算机模拟可以减少所需的昂贵辐照试验次数。
”我们一直在努力，在核领域找到改善燃料性能规范的方法。这是一种方法。现在我们有了以前根本没有的三维洞察力”,Okuniewski总结道。
这项名为“应用同步加速器微计算机断层扫描技术来表征辐照核燃料的三维微观结构”的研究由美国能源部核能办公室和普渡大学资助。
除了Okuniewski和Kenesei，该研究的其他作者还有来自普渡大学的Jonova Thomas、Alejandro Figueroa Bengoa、Sri Tapaswi Nori和Ran Ren;来自阿贡国家实验室的Jon Almer;来自洛斯阿拉莫斯国家实验室的詹姆斯·亨特;以及爱达荷国家实验室的杰森·哈普。
该团队特别要感谢约翰·维卡的努力，他是来自阿贡国家实验室的高级健康物理学家，他在这个实验和其他几个实验中努力确保人们的安全。维卡在2020年5月意外去世。
科学家对辐照核燃料有了前所未有的了解
在中子辐照的铀锆燃料中观察到五个孔隙阶段。视频来源:普渡大学工程学院。
期刊引用:
托马斯·J。,等．(2020)应用同步加速器显微计算机断层扫描技术表征辐照核燃料的三维微观结构。核材料学报欧洲杯足球竞彩．doi.org/10.1016/j.jnucmat.2020.152161．
来源:https://www.anl.gov/