瑞士保羅謝勒研究所利用新型 X 射線成像技術檢測核燃料包殼內部腐蝕情況

瑞士保羅·謝爾研究所（Paul Scherrer Institute, PSI）研究人員採用一種新型 X 光成像技術，對核燃料棒包覆材料內部的腐蝕情況進行了三維檢測，成功識別出小至 80 奈米的孔隙。該研究探討了燃料棒周圍的保護層在經過多年冷卻水和輻射曝露後是否仍然有效。研究團隊利用來自核電站運行的包覆管樣本，使用 PSI 的瑞士光源對內部結構進行了映射。結果顯示，這些管道在服務期間保持了密封，並且測量顯示保護性氧化層持續發揮其功能。

這些發現有助於評估燃料棒的安全性，並確定傳統實驗室腐蝕測試是否準確反映材料在反應堆條件下的情況。公告中並未具體說明實驗進行的時間。

包覆材料的腐蝕檢測

燃料棒包覆材料在反應堆運行期間必須保持密封，儘管環境條件可能導致腐蝕。因此，研究人員需要了解腐蝕層的形成速度及其孔隙度。這些包覆管通常含有超過 98% 的鋯，並添加少量其他金屬以改善其性能。包覆材料包裹著堆疊的二氧化鈾燃料顆粒，形成用於核反應堆的燃料棒。該研究集合了 PSI 內部三個研究中心，涵蓋核工程、光子科學及中子與μ子科學。在該所的熱實驗室中，工作人員使用精密鋸在屏蔽熱室內切割出薄如瓦片的已用燃料棒包覆材料切片，然後使用聚焦離子束將材料加工成圓柱形。

樣本來自運行期間在包覆表面形成的鋯氧化層。

首席作者奧坎·葉提克表示：「最終，我們的小型鋯氧化物圓柱的直徑僅為 20 微米，幾乎肉眼不可見。人類的頭髮厚度是它的三到四倍。」這些小樣本使輻射排放保持在足夠低的水平，以便在專用屏蔽熱室外進行檢查。研究團隊利用 PSI 的瑞士光源開發的相位對比 X 光計算機斷層成像技術（ptychographic X-ray computed tomography, PXCT）檢查這些圓柱。

X 光束從不同角度逐點掃描樣本，生成其內部結構的高解析度三維影像。共同作者安德烈亞斯·門策爾指出：「我們甚至能夠識別出小至 80 奈米的孔隙。」測量還顯示，氧化層在長期使用後仍保持其保護功能。PSI 研究員莉莉安娜·杜阿特表示：「在 SLS 進行的測量顯示，包覆管上的保護性氧化層保持完整，並在多年使用後繼續發揮其作用。」

新技術的應用潛力

研究人員將已用材料與未受輻射的包覆樣本進行比較，後者在高壓、高溫及自動加壓釜內曝露於水中。反應堆使用的樣本密度與自動加壓材料的密度幾乎相同，這支持了標準腐蝕測試的價值。這意味著研究人員不一定需要使用過的包覆材料進行調查。這些發現也可幫助操作人員改善反應堆的水化學，並幫助製造商針對合金和熱處理進行調整。該技術為小型模塊化反應堆及核聚變反應堆的類似詳細檢查開啟了可能性。

研究人員已將他們的發現發表在《先進工程材料》期刊上。

新型 X 光技術對核能安全的影響

利用新型 X 光成像技術檢測核燃料包殼的腐蝕情況，對核能安全至關重要。這項研究不僅證實了包覆材料的有效性，還為評估核燃料棒的安全性提供了新方法。隨著核能需求的增長，確保反應堆的安全運行變得愈加重要。研究結果顯示，傳統的腐蝕測試可能不足以反映實際情況，這促使業界重新考慮材料檢測標準。此外，這項技術的應用潛力不僅限於現有反應堆，還可以擴展到小型模塊化反應堆及核聚變反應堆，為未來的核能發展鋪平道路。