研究探索用于核反应堆的更安全燃料

核能是乃至全世界的重要能源，支持者认为核能的使用对减少化石燃料的碳排放至关重要。但是，许多人认为核事故的风险没有超过与核能相关的收益。

宾夕法尼亚州立大学机械与核工程助理教授，宾夕法尼亚州立大学微结构科学与工程实验室主任Michael Tonks通过能源部的核能大学计划(NEUP)参与了三个项目。这些项目都在探索新材料的核燃料，这可能使目前的轻水反应堆(轻水反应堆)安全。

这些项目均使用事故容忍燃料，或具有更大耐受性的燃料，以承受核事故期间冷却剂的流失，其使用寿命比传统燃料长得多。额外的时间使反应堆操作员有机会在产生重大后果之前解决问题。与当前燃料相比，耐事故燃料还需要具有相似或改进的性能，并且具有成本效益。

唐克斯说：“福岛第一核反应堆事故实际上是燃料和包壳材料选择的直接问题。” “所以我们的想法是，也许我们可以改变燃料材料或包层材料，但保持反应堆中的其他一切不变。”

覆层是一种金属，它围绕一堆燃料芯块，并将燃料与反应堆内部的冷却剂分离。

与用新设计的反应堆代替现有的核反应堆相比，更换燃料和包壳是一种更具成本效益和近期的解决方案，它可以极大地改变核能的未来。

该国所有轻水堆使用的核燃料是二氧化铀，这些轻水堆使用的包层材料是锆合金。这些材料的特性使其成为用于核反应堆的非常好的选择，并且它们继续表现良好。但是，它们还存在使他们无法在事故情况下保持良好状态的问题。

二氧化铀的导热系数非常低，这意味着它会将热量滞留在燃料颗粒内部。低导热率不仅不利于核反应堆产生热量的目标，而且还可能导致燃料粒过热，甚至在反应堆失去冷却剂时也会熔化。

锆合金熔覆层对水具有高反应性，尤其是在事故情况下冷却水加热时会产生的蒸汽。蒸汽使其氧化并释放出高度可燃的氢气。

Tonk工作的主要重点是了解材料的微观结构如何影响该材料的行为。对于这些项目，他正在研究潜在的新型燃料和覆层材料的小规模结构在暴露于反应堆条件(尤其是辐射)时的行为。

Tonks说：“众所周知，微观结构直接影响材料的性能，但是我的研究集中在恶劣的环境下，由于环境的影响，微观结构不会保持静态，而是随着时间的推移而变化。” 。“仅仅设计一个能够给您想要的行为的微结构是不够的。您必须确保即使微结构在发展，它也永远不会导致会导致部件或反应堆失效的行为。 。”

为了理解这些微观结构，Tonks使用计算模型来创建范围从1到10微米的尺度的模拟，该尺度比一根头发要小得多。这些模拟可以预测材料在各种条件下的行为。