瑞士保罗谢勒研究所利用新型 X 射线成像技术检测核燃料包壳内部腐蚀情况

瑞士保罗·谢尔研究所（Paul Scherrer Institute, PSI）研究人员采用一种新型 X 光成像技术，对核燃料棒包壳材料内部的腐蚀情况进行了三维检测，成功识别出小至 80 纳米的孔隙。该研究探讨了燃料棒周围的防护层在经过多年冷却水和辐射暴露后是否仍然有效。研究团队利用来自核电站运行的包壳管样本，使用 PSI 的瑞士光源对内部结构进行了映射。结果显示，这些管道在服役期间保持了密封，并且测量显示防护性氧化层持续发挥其功能。

这些发现有助于评估燃料棒的安全性，并确定传统实验室腐蚀测试是否准确反映材料在反应堆条件下的情况。公告中并未具体说明实验进行的时间。

包壳材料的腐蚀检测

燃料棒包壳材料在反应堆运行期间必须保持密封，尽管环境条件可能导致腐蚀。因此，研究人员需要了解腐蚀层的形成速度及其孔隙度。这些包壳管通常含有超过 98% 的锆，并添加少量其他金属以改善其性能。包壳材料包裹着堆叠的二氧化铀燃料颗粒，形成用于核反应堆的燃料棒。该研究汇集了 PSI 内部三个研究中心，涵盖核工程、光子科学及中子与 μ 子科学。在该所的热实验室中，工作人员使用精密锯在屏蔽热室内切割出薄如瓦片的已用燃料棒包壳材料切片，然后使用聚焦离子束将材料加工成圆柱形。

样本来自运行期间在包壳表面形成的锆氧化层。

首席作者奥坎·叶提克表示：“最终，我们的小型锆氧化物圆柱的直径仅为 20 微米，几乎肉眼不可见。人类的头发厚度是它的三到四倍。”这些小样本使辐射排放保持在足够低的水平，以便在专用屏蔽热室外进行检查。研究团队利用 PSI 的瑞士光源开发的相位对比 X 光计算机断层成像技术（ptychographic X-ray computed tomography, PXCT）检查这些圆柱。

X 光束从不同角度逐点扫描样本，生成其内部结构的高分辨率三维影像。共同作者安德烈亚斯·门策尔指出：“我们甚至能够识别出小至 80 纳米的孔隙。”测量还显示，氧化层在长期使用后仍保持其防护功能。PSI 研究员莉莉安娜·杜阿特表示：“在 SLS 进行的测量显示，包壳管上的防护性氧化层保持完整，并在多年使用后继续发挥其作用。”

新技术的应用潜力

研究人员将已用材料与未受辐照的包壳样本进行比较，后者在高压、高温及自动高压釜内暴露于水中。反应堆使用的样本密度与高压釜材料的密度几乎相同，这支持了标准腐蚀测试的价值。这意味着研究人员不一定需要使用过的包壳材料进行调查。这些发现也可帮助操作人员改善反应堆的水化学，并帮助制造商针对合金和热处理进行调整。该技术为小型模块化反应堆及核聚变反应堆的类似详细检查开启了可能性。

研究人员已将他们的发现发表在《先进工程材料》期刊上。

新型 X 光技术对核能安全的影响

利用新型 X 光成像技术检测核燃料包壳的腐蚀情况，对核能安全至关重要。这项研究不仅证实了包壳材料的有效性，还为评估核燃料棒的安全性提供了新方法。随着核能需求的增长，确保反应堆的安全运行变得愈加重要。研究结果显示，传统的腐蚀测试可能不足以反映实际情况，这促使业界重新考虑材料检测标准。此外，这项技术的应用潜力不仅限于现有反应堆，还可以扩展到小型模块化反应堆及核聚变反应堆，为未来的核能发展铺平道路。