加拿大研究人员发现核燃料材料 TRISO 中存在硅元素

来自加拿大的研究人员发现，坚固的核燃料材料 TRISO 中存在硅，甚至在颗粒进入反应堆之前便已发现。这一发现来自西方大学的 Samantha Gateman 教授及其团队的研究，他们正在研究 TRISO 燃料颗粒，作为更大项目的一部分，旨在表征该材料的化学特性。该研究旨在检查核燃料材料的化学性质，以帮助指导未来的安全处置，并了解其随时间推移如何通过化学反应分解。

为了确定裂变材料的生锈或劣化从何开始以及随时间如何扩散，Gateman 实验室的博士后研究人员 Soroosh Hakimian 和 Shamim Pourrahimi 开始检查材料的组成。TRISO 燃料颗粒的大小如同小罂粟种子，包裹在保护性涂层之中。在他们的实验中，团队发现辐射前，颗粒中已经存在硅。

硅的惊人发现

Gateman 表示：“我们在燃料颗粒中发现了硅，甚至在它进入反应堆之前。这意味着当我们在辐射燃料中看到硅时，不能自动假设它是从硅碳化物涂层中迁移过来的。”研究人员指出，这一发现令人惊讶，因为 TRISO 被认为是有史以来最坚固的核燃料设计之一。每个小燃料颗粒周围有多层设计用于包含放射性裂变产物。

先前的研究显示在反应堆中暴露于极端温度和辐射后，TRISO 燃料中出现硅。在那些研究中，硅从周围的硅碳化物保护层中迁移被认为是该发现的可能来源。然而，Gateman 和她的团队的最新研究显示，硅在燃料进入反应堆之前便已存在。

制造过程中的硅粒子

根据研究人员的说法，这为理解硅在反应堆运行期间的变化设立了新的基准。Gateman 在一份声明中表示，这也提出了新问题，即该材料最初是如何进入燃料颗粒的。Gateman 提到，这一发现使团队重新回到燃料制造过程中的研究。裂变材料是通过一种称为溶胶-凝胶制造的过程生成的。在此过程中，含铀材料通过浸入热硅油浴中形成小球体。这些浸泡循环在颗粒接受任何热处理并获得其保护涂层之前进行。

为了检查在制造过程中硅粒子是否进入，团队研究了裸露状态和完全涂层状态下的燃料颗粒。他们在每个阶段都发现了硅，这让研究人员感到惊讶。Gateman 表示：“令人惊讶的部分是意识到硅可能与燃料的制造方式有关。从化学的角度来看，油的成分很重要，因为材料在燃料颗粒形成过程中与之互动。”

研究人员推断，TRISO 中存在的硅并不是后续涂层过程的结果；相反，它在核颗粒的制造过程中就已存在。这些结果已发表于《核材料期刊》中。

TRISO 燃料的制造与性能关联

TRISO 燃料的研究揭示了硅在核燃料颗粒中的存在，这不仅挑战了以往对硅来源的理解，还可能影响未来的燃料设计和安全性。研究团队的发现表明，硅的存在与燃料的制造过程密切相关，这可能改变我们对核燃料材料化学特性的认知。随着核能技术的发展，理解这些材料的行为对于确保核能的安全性和效率至关重要。