核能是乃至全世界的重要能源，支持者認(rèn)為核能的使用對(duì)減少化石燃料的碳排放至關(guān)重要。但是，許多人認(rèn)為核事故的風(fēng)險(xiǎn)沒有超過與核能相關(guān)的收益。

賓夕法尼亞州立大學(xué)機(jī)械與核工程助理教授，賓夕法尼亞州立大學(xué)微結(jié)構(gòu)科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室主任Michael Tonks通過能源部的核能大學(xué)計(jì)劃(NEUP)參與了三個(gè)項(xiàng)目。這些項(xiàng)目都在探索新材料的核燃料，這可能使目前的輕水反應(yīng)堆(輕水反應(yīng)堆)安全。

這些項(xiàng)目均使用事故容忍燃料，或具有更大耐受性的燃料，以承受核事故期間冷卻劑的流失，其使用壽命比傳統(tǒng)燃料長(zhǎng)得多。額外的時(shí)間使反應(yīng)堆操作員有機(jī)會(huì)在產(chǎn)生重大后果之前解決問題。與當(dāng)前燃料相比，耐事故燃料還需要具有相似或改進(jìn)的性能，并且具有成本效益。

唐克斯說：“福島第一核反應(yīng)堆事故實(shí)際上是燃料和包殼材料選擇的直接問題。” “所以我們的想法是，也許我們可以改變?nèi)剂喜牧匣虬鼘硬牧?，但保持反?yīng)堆中的其他一切不變。”

覆層是一種金屬，它圍繞一堆燃料芯塊，并將燃料與反應(yīng)堆內(nèi)部的冷卻劑分離。

與用新設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆代替現(xiàn)有的核反應(yīng)堆相比，更換燃料和包殼是一種更具成本效益和近期的解決方案，它可以極大地改變核能的未來。

該國(guó)所有輕水堆使用的核燃料是二氧化鈾，這些輕水堆使用的包層材料是鋯合金。這些材料的特性使其成為用于核反應(yīng)堆的非常好的選擇，并且它們繼續(xù)表現(xiàn)良好。但是，它們還存在使他們無法在事故情況下保持良好狀態(tài)的問題。

二氧化鈾的導(dǎo)熱系數(shù)非常低，這意味著它會(huì)將熱量滯留在燃料顆粒內(nèi)部。低導(dǎo)熱率不僅不利于核反應(yīng)堆產(chǎn)生熱量的目標(biāo)，而且還可能導(dǎo)致燃料粒過熱，甚至在反應(yīng)堆失去冷卻劑時(shí)也會(huì)熔化。

鋯合金熔覆層對(duì)水具有高反應(yīng)性，尤其是在事故情況下冷卻水加熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生的蒸汽。蒸汽使其氧化并釋放出高度可燃的氫氣。

Tonk工作的主要重點(diǎn)是了解材料的微觀結(jié)構(gòu)如何影響該材料的行為。對(duì)于這些項(xiàng)目，他正在研究潛在的新型燃料和覆層材料的小規(guī)模結(jié)構(gòu)在暴露于反應(yīng)堆條件(尤其是輻射)時(shí)的行為。

Tonks說：“眾所周知，微觀結(jié)構(gòu)直接影響材料的性能，但是我的研究集中在惡劣的環(huán)境下，由于環(huán)境的影響，微觀結(jié)構(gòu)不會(huì)保持靜態(tài)，而是隨著時(shí)間的推移而變化。” 。“僅僅設(shè)計(jì)一個(gè)能夠給您想要的行為的微結(jié)構(gòu)是不夠的。您必須確保即使微結(jié)構(gòu)在發(fā)展，它也永遠(yuǎn)不會(huì)導(dǎo)致會(huì)導(dǎo)致部件或反應(yīng)堆失效的行為。 。”

為了理解這些微觀結(jié)構(gòu)，Tonks使用計(jì)算模型來創(chuàng)建范圍從1到10微米的尺度的模擬，該尺度比一根頭發(fā)要小得多。這些模擬可以預(yù)測(cè)材料在各種條件下的行為。