创造更安全更高效的核燃料模拟其性能

关于该研究的新发现将在10月6日在法国阿维尼翁举行的第11届核反应堆热工水力国际专题会议期间提交的同行评审文章中详述。该论文由核工程副教授，研究生RyanLatta的ShripadRevankar撰写;和AlvinA.Solomon，一位核工程教授。

该研究由美国能源部资助，专注于开发比传统燃料更耐热的核燃料。目前的核燃料是由一种称为二氧化铀的材料制成，含有少量的铀同位素，称为铀-235，这对于在电流反应堆内引发核裂变反应至关重要。

“尽管今天的氧化物燃料非常稳定和安全，但主要的问题是它们不能很好地传导热量，限制动力并导致燃料杯过早地破裂和降解，因此在燃料完全被使用之前需要更换燃料，”所罗门说。

由Solomon领导的普渡大学研究人员开发出一种将氧化铀与氧化铍材料混合的工艺。处理氧化铀颗粒以与氧化铍或氧化铍交织，其比二氧化铀更容易传导热量。

这种氧化铍“骨架”使核燃料的传导热量至少比传统燃料高50%。

“氧化铍就像一根热管，吸收热量，有助于更有效地冷却燃料芯块，”所罗门说。

Revankar表示，Revankar和Latta开发的数学模型已被证明能准确预测实验燃料的性能，并将用于未来的工作以进一步开发燃料。

核燃料颗粒包含在核裂变反应堆的燃料棒内。颗粒被金属管或“包层”包围，这防止了放射性物质的逸出。

由于氧化铀不能很好地传导热量，因此在反应堆运行期间，在圆筒中心与其表面之间存在较大的温差，导致燃料芯块的中心变得非常热。必须通过反应堆冷却系统不断地移除热量，因为过热可能导致燃料棒熔化，这可能导致灾难性的核事故和辐射的释放-众所周知的“崩溃”。

“如果添加这种高导电相的氧化铍，导热系数会增加约50%，因此这些颗粒从中心到表面的温度差异显着降低，”所罗门说。

Revankar表示，实验燃料比传统燃料更安全，同时持续时间更长，每年可节省数百万美元。

“我们实际上可以提高燃料的性能，特别是在事故中，因为这种燃料加热的速度低于目前的燃料，这降低了由于熔化造成的灾难性事故的可能性，”Revankar说。“实验燃料也不一定是经常更换为当前的燃料芯块。

“目前，由于燃料的温度降低以及U-235的消耗，核燃料必须每三年左右更换一次。如果燃料可以保留更长时间，则产生的电力更多，产生的废物更少。如果你可以在较低的温度下操作，你可以使用燃料颗粒更长的时间，燃烧更多的燃料，从经济的角度来看这是非常重要的。更低的温度也更安全，更灵活的反应堆操作。

Solomon表示，导热率提高50%意味着目前在美国运营的103个商用核反应堆的性能显着提高。

所罗门说：“仅仅增加5%到10%就会非常显着，所以增加50%就会有所改善。”

研究的下一步是测试核反应堆内的新燃料，以确保在整个生命周期内能够抵抗反应堆内部的极端条件。

所罗门说：“我们知道它在很高的温度下能够保持良好状态，而现在我们正处于照射这片土地的地步，看看它是做什么的。”

研究人员还创造了含有另一种高热导率材料(称为碳化硅)的指状物的燃料芯块，但碳化硅在高温下与氧化铀反应。目前正在研究由兼容的铀化合物制成的新燃料设计。Revankar说，10月份讨论的研究论文集中在该模型预测碳化硅和氧化铍实验结果的准确性。

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