新的燃料材料可以使核反应堆更安全

2019-01-15 09:19:53
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核电是美国和世界各地的重要能源,作为减少化石燃料当前碳排放的清洁能源至关重要。然而,许多人认为核事故的风险并没有超过与核能有关的好处。

宾夕法尼亚州机械和核工程助理教授,宾夕法尼亚州立大学微观结构科学与工程实验室主任Michael Tonks通过能源部核能大学计划(NEUP)参与了三个项目。这些项目正在探索核燃料的新材料,这可以使现有的轻水反应堆(LWR)更安全。

这些项目都属于事故容忍燃料的广泛主题,或者在核事故期间具有更高耐受性以承受冷却剂损失的燃料比传统燃料长得多。额外的时间使反应堆操作员有更多的时间在出现重大后果之前解决问题。与现有燃料相比,事故耐受性燃料也需要具有相似或改进的性能并且具有成本效益。

“福岛第一核反应堆事故的问题实际上是选择燃料和熔覆材料的直接问题,”唐克斯说。“因此,我们的想法是,我们可以改变燃料材料或包层材料,但保持反应器中的所有其他材料相同。”

包层是围绕一堆燃料芯块的金属,并将燃料与反应堆内的冷却剂分开。

与用新设计的反应堆取代现有核反应堆相比,改变燃料和熔覆是一种更具成本效益和近期的解决方案,它可以彻底改变核能的未来和安全。

在该国所有轻水堆中使用的核燃料是二氧化铀,这些轻水堆中使用的包层材料是锆合金。这些材料具有使其成为核反应堆使用的非常好选择的特性,并且它们继续表现良好。但是,它们也存在一些问题,使它们无法在事故情况下保持良好状态。

二氧化铀具有非常低的导热性,这意味着它将热量捕获在燃料芯块内。低热导率不仅会对核反应堆产生热量的目标起反作用,而且当反应堆失去冷却剂时,它也会导致燃料颗粒过热甚至熔化。

锆合金包壳与水具有高度反应性,尤其是在事故条件下冷却水加热时可产生的蒸汽。蒸汽使其氧化并释放高度可燃的氢气。

Tonk工作的主要焦点是了解微观结构或材料的小尺度结构如何影响材料的行为。对于这些项目,他正在研究当暴露于反应堆条件,特别是辐射时,潜在的新燃料和包层材料的小尺度结构将如何表现。

“众所周知,微观结构对材料的性质有直接影响,但我的研究主要集中在恶劣的环境中,由于环境的原因,微观结构不会保持静止,但实际上会随时间而变化,”唐克斯说。 。“仅仅设计一种能够为您提供所需行为的微观结构是不够的。您必须确保即使微观结构发展,也不会导致导致您的部件或反应器失效的行为“。

为了理解这些微观结构,唐克斯使用计算模型在1到10微米的范围内创建模拟,这比一缕头发小得多。这些模拟预测了材料在各种条件下的行为。

Tonks和他的研究团队是三个项目的一部分,通过使用这些模拟探索更安全的反应堆燃料的可能替代方案。关于包层,他们正在研究的最简单的解决方案是在锆合金包层上层叠其他材料。通过创建材料层,研究人员希望获得不同金属的优势并消除弱点。层状材料将保护包层不与蒸汽反应并产生氢气。然而,这些层可能更容易受到辐射损害。Tonks正在使用建模来模拟反应堆条件并了解这些材料所经历的变化。

该小组还在探索将包层材料完全改变为碳化硅复合材料的可行性。碳化硅具有许多与锆合金相同的优点,并且已经用于许多非核应用中。它具有不与冷却水反应的额外好处,因此它不会降解并在反应器内产生氢气。不幸的是,复合材料很难制造,并且有可能破裂。唐克斯在正常和事故条件下使用裂缝模拟来确定辐射如何引起裂缝以及这些微裂缝是否​​会允许裂变产物逃逸。

为了解决反应堆燃料的导热问题,研究小组正在模拟各种燃料添加剂,以提高二氧化铀的导热系数。当在苛刻的反应器环境中使用时,Tonks专注于确定各种添加剂的可能副作用。

“我们的角色是为这些系统开发模型,”唐克斯说。“之前没有人这样做,所以没有模型。我们正在从头开发模型,然后用它们来帮助评估这些概念是否可行。”

具体而言,研究人员正在寻找新材料与正常和事故工作条件下的辐射之间潜在的破坏性相互作用。

“我们希望能够应用我们为了解二氧化铀和锆合金而开发的工具,但现在扩展它们以查看这些新材料。”

Tonks用于这些项目的主要工具之一是称为MARMOT的中尺度燃料性能工具,该工具由美国核能高级建模和模拟计划开发。在爱达荷州国家实验室,唐克斯是MARMOT的首席开发人员。

与研究人员单独使用实验数据相比,唐克斯及其研究团队的工作将有助于更快地评估事故耐受性燃料。与运行全核测试相比,建模可以更便宜,更轻松地提供数据。模拟将指导合作者通过精确定位最有可能的燃料来完成的实验工作,以便研究人员可以优先考虑实验工作。

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