加拿大研究人員發現核燃料材料 TRISO 中存在矽元素

來自加拿大的研究人員發現，堅固的核燃料材料 TRISO 中存在矽，甚至在顆粒進入反應爐之前便已發現。這一發現來自西方大學的 Samantha Gateman 教授及其團隊的研究，他們正在研究 TRISO 燃料顆粒，作為更大項目的一部分，旨在表徵該材料的化學特性。該研究旨在檢查核燃料材料的化學性質，以幫助指導未來的安全處置，並瞭解其隨時間推移如何通過化學反應分解。

為了確定裂變材料的生鏽或劣化從何開始以及隨時間如何擴散，Gateman 實驗室的博士後研究人員 Soroosh Hakimian 和 Shamim Pourrahimi 開始檢查材料的組成。TRISO 燃料顆粒的大小如同小罌粟籽，包裹在保護性塗層之中。在他們的實驗中，團隊發現在輻射前，顆粒中已經存在矽。

矽的驚人發現

Gateman 表示：「我們在燃料顆粒中發現了矽，甚至在它進入反應爐之前。這意味著當我們在輻射燃料中看到矽時，不能自動假設它是從矽碳化物塗層中遷移過來的。」研究人員指出，這一發現令人驚訝，因為 TRISO 被認為是有史以來最堅固的核燃料設計之一。每個小燃料顆粒周圍有多層設計用於包含放射性裂變產物。

先前的研究顯示在反應爐中暴露於極端溫度和輻射後，TRISO 燃料中出現矽。在那些研究中，矽從周圍的矽碳化物保護層中遷移被認為是該發現的可能來源。然而，Gateman 和她的團隊的最新研究顯示，矽在燃料進入反應爐之前便已存在。

製造過程中的矽粒子

根據研究人員的說法，這為理解矽在反應爐運行期間的變化設立了新的基準。Gateman 在一份聲明中表示，這也提出了新問題，即該材料最初是如何進入燃料顆粒的。Gateman 提到，這一發現使團隊重新回到燃料製造過程中。裂變材料是通過一種稱為溶膠-凝膠製造的過程生成的。在此過程中，含鈾材料通過浸入熱矽油浴中形成小球體。這些浸泡循環在顆粒接受任何熱處理並獲得其保護塗層之前進行。

為了檢查在製造過程中矽粒子是否進入，團隊研究了裸露狀態和完全塗層狀態下的燃料顆粒。他們在每個階段都發現了矽，這讓研究人員感到驚訝。Gateman 表示：「令人驚訝的部分是意識到矽可能與燃料的製造方式有關。從化學的角度來看，油的成分很重要，因為材料在燃料顆粒形成過程中與之互動。」

研究人員推斷，TRISO 中存在的矽並不是後續塗層過程的結果；相反，它在核顆粒的製造過程中就已存在。這些結果已發表於《核材料期刊》中。

TRISO 燃料的製造與性能關聯

TRISO 燃料的研究揭示了矽在核燃料顆粒中的存在，這不僅挑戰了以往對矽來源的理解，還可能影響未來的燃料設計和安全性。研究團隊的發現表明，矽的存在與燃料的製造過程密切相關，這可能改變我們對核燃料材料化學特性的認知。隨著核能技術的發展，理解這些材料的行為對於確保核能的安全性和效率至關重要。