研究探索用于核反應堆的更安全燃料

核能是乃至全世界的重要能源，支持者認為核能的使用對減少化石燃料的碳排放至關重要。但是，許多人認為核事故的風險沒有超過與核能相關的收益。

賓夕法尼亞州立大學機械與核工程助理教授，賓夕法尼亞州立大學微結構科學與工程實驗室主任Michael Tonks通過能源部的核能大學計劃(NEUP)參與了三個項目。這些項目都在探索新材料的核燃料，這可能使目前的輕水反應堆(輕水反應堆)安全。

這些項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，其使用壽命比傳統燃料長得多。額外的時間使反應堆操作員有機會在產生重大后果之前解決問題。與當前燃料相比，耐事故燃料還需要具有相似或改進的性能，并且具有成本效益。

唐克斯說：“福島第一核反應堆事故實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，也許我們可以改變燃料材料或包層材料，但保持反應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，并將燃料與反應堆內部的冷卻劑分離。

與用新設計的反應堆代替現有的核反應堆相比，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堆的非常好的選擇，并且它們繼續表現良好。但是，它們還存在使他們無法在事故情況下保持良好狀態的問題。

二氧化鈾的導熱系數非常低，這意味著它會將熱量滯留在燃料顆粒內部。低導熱率不僅不利于核反應堆產生熱量的目標，而且還可能導致燃料粒過熱，甚至在反應堆失去冷卻劑時也會熔化。

鋯合金熔覆層對水具有高反應性，尤其是在事故情況下冷卻水加熱時會產生的蒸汽。蒸汽使其氧化并釋放出高度可燃的氫氣。

Tonk工作的主要重點是了解材料的微觀結構如何影響該材料的行為。對于這些項目，他正在研究潛在的新型燃料和覆層材料的小規模結構在暴露于反應堆條件(尤其是輻射)時的行為。

Tonks說：“眾所周知，微觀結構直接影響材料的性能，但是我的研究集中在惡劣的環境下，由于環境的影響，微觀結構不會保持靜態，而是隨著時間的推移而變化。” 。“僅僅設計一個能夠給您想要的行為的微結構是不夠的。您必須確保即使微結構在發展，它也永遠不會導致會導致部件或反應堆失效的行為。 。”

為了理解這些微觀結構，Tonks使用計算模型來創建范圍從1到10微米的尺度的模擬，該尺度比一根頭發要小得多。這些模擬可以預測材料在各種條件下的行為。