图片：NIKOLAUS CORDES，INL 仪器科学家，在 X 射线显微镜下工作。
图片来源：CHRIS MORGAN/爱达荷国家实验室
先进的核技术可以为寻求无碳能源解决方案以减少气候变化影响的国家发挥重要作用。
世界各地的公司正在开发先进的反应堆设计以满足一系列需求，从用于远程应用的微型反应堆到可以为巨大的城市地区供电的大型反应堆，同时也为工业应用(如制氢)提供热量。
虽然这些先进的反应堆种类繁多，但它们都受益于被动和固有的安全设计特点，这些特点使用先进的材料来提高安全性、可靠性和性能。
一种固有安全技术，即 TRi 结构各向同性粒子燃料 (TRISO)，由一个铀基燃料内核组成，该内核被三层碳基和陶瓷基材料包围，这些材料在反应堆环境中具有化学和结构上的抗降解性。
由此产生的燃料颗粒大约有罂粟种子大小，可以承受超过 3,000 华氏度的温度，远远超过当前核燃料的阈值，而不会熔化或释放大量裂变产物。
随着越来越多的反应堆公司寻求 TRISO 颗粒为其设计提供动力，了解这些微小的燃料颗粒在微观尺度上的表现至关重要。
爱达荷国家实验室的研究人员首次采用了市售的 X 射线显微镜来检查辐照 TRISO 粒子内铀核的内部结构。这些粒子在 INL 的先进试验反应堆中被辐照了 560 天。
这种核燃料成像技术的飞跃可以帮助研究人员识别燃料降解机制并收集数据，为核燃料的计算机模型提供信息。这些数据有助于公司开发和鉴定用于其反应堆设计的燃料。
TRISO 燃料颗粒通常通过物理切割颗粒并使用光学显微镜或扫描电子显微镜进行研究。虽然这些方法为研究人员提供了有用的信息，但它们只显示了图片的一部分，并且至少有一部分样本在此过程中被破坏了。
“我们通常对样品进行研磨、抛光并检查横截面，”专门研究 TRISO 燃料辐照后检查的 INL 科学家 John Stempien 说。“这种技术效果很好，但要制备横截面，必须去除部分样品，并且在该过程中会丢失一些信息。”
新方法使用X 射线计算机断层扫描，这种技术可以拍摄样本的多个2DX射线图像。然后计算机将这些2D 图像组合成 3D 图像以供检查。
过去，研究人员使用 X 射线成功地检查了 TRISO 燃料涂层的碳层和陶瓷层。但铀核内部的高质量X 射线图像一直难以捉摸。
“铀很难通过 X 射线，”INL 的分析和材料化学家 Nikolaus Cordes 说。“内核的低能 X 射线并不是特别准确。内核充当光束停止器。你会得到一个充满伪影的阴影图像。”
这些伪影——图像中的细节并不真正存在，而是低能X 射线的副产品——可能会误导调查人员或掩盖正在检查的燃料粒子的重要细节。
为了获得 TRISO 粒子的高质量X 射线图像，Cordes 和他的同事使用了高能X 射线和一种特殊的X 射线滤光片来阻挡低能X 射线。“通过丢弃那些低能量的光子，我们可以防止产生大量的人工制品，”Cordes 说。
这项新技术使研究人员能够无损地对整个 TRISO 粒子进行成像。然后，他们可以使用光学显微镜或扫描电子显微镜等破坏性技术来放大有趣的细节。
“分析粒子的随机碎片就像大海捞针，”专门研究核材料成像和分析的 INL 研究员William C. Chuirazzi说。“现在，如果我们在3DX射线图像中看到感兴趣的区域，我们可以使用更具破坏性的技术来定位它。”
该技术还可用于检查燃料元件，其中数千个 TRISO 颗粒嵌入基质材料中以插入反应堆。
新的X 射线技术可以帮助回答的一个具体问题是反应堆内部的条件(即中子辐射和热量)如何损坏 TRISO 粒子的容纳层和铀核。
“我们对燃料内核膨胀以及它如何影响燃料内核周围的低密度碳缓冲层非常感兴趣，”Cordes 说。
同样重要的是，新的成像方法可以回答有关碳化硅层的问题，以及该层是否保持完整而不必破坏样品。
此外，铀核可以形成孔隙，使这些裂变产物以成像技术所揭示的意想不到的方式移动。
新的X射线成像技术将为进一步研究 TRISO 粒子打开大门，从而提供更多更好的数据。然后，该信息可用于开发 TRISO 粒子在反应堆中的性能的高保真计算机模型。
“如果你有一个可靠的模型，你可以进行范围计算，以了解燃料在新反应堆设计中的表现，而这种设计尚未经过测试，然后必须进行一些更昂贵和耗时的实验，”Stempien 说。
最后，这些模型和数据将帮助反应堆开发商鉴定他们的燃料并驾驭监管过程。
“我们希望继续这项工作，并获得可用于模型测试和验证的样本的真实表示，”Cordes 说。“这将是 INL 以及更广泛的科学界迈出的重要一步，因为我们正在努力使下一代核燃料更接近现实。”
Battelle Energy Alliance 为美国能源部核能办公室管理 INL。INL 是美国核能研发中心，也在能源部的每个战略目标领域进行研究：能源、国家安全、科学和环境。
