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2.燃料循环研究与开发(FCR&D)
正在进行的10个FCR&D项目中:3个是研究能承受高温和高辐射剂量的合金;2个是锕系元素的基础研究;4个是研究轻水堆(LWR)或快堆的先进燃料;1个是针对后段燃料循环,研究分离方法,改进乏燃料的废物管理。
2012年美国与韩国完成一个合作研究工作,即深入研究增强耐辐射能力的奥氏体不锈钢的微观结构,并评估由此产生的性能。该研究小组应用等通道转角挤压(ECAP)技术改变化学特性和细化氧化物纳米粒子的大小和分布。与大颗粒钢相比,纳米颗粒钢除了具有很好的耐氦、氪和铁离子辐照能力之外,还保持了高强度和适中的延展性。
第二个项目组也在研究纳米粒子强化钢。研究人员用两种先进的材料加工技术生产纳米结构的铁素体合金(NFA)和铁素体/马氏体(F/M)双相钢。在2012财年中,他们对两种氧化物弥散强化(ODS)的9Cr合金进行了热处理和性能检测。研究结果发现,增加NFA合金中的碳含量不能提高合金的断裂韧性。部分相变热处理增加了一种合金的强度和均匀延伸率,而热退火改善了合金的断裂韧性,受控热轧对合金的改善效果更加显著。
第三项合作正在开发先进的ODS和F/M钢并确定其性能、研究这些钢在钠中的腐蚀效应,并检验ODS钢的辐照行为。他们正利用若干辐照计划,以制备一些供辐照后分析的材料,并收集建模用的数据。团队成员已经获得三种ODS合金的福照后样快,正在共享测试数据,并在进行ODS合金在铅和铅-铋中的长期腐蚀试验。
为了增进对锕系元素的基本理解,一个项目团队正在研究新的主要和次要锕系元素的重要实验数据,包括裂变碎片质量分布以及随入射中子能量变化的瞬发中子发射情况。在2012财年中,研究人员测量了入射中子能量从1MeV到200MeV的235U和239Pu的中子诱发裂变的瞬发中子发射谱。他们用洛斯阿拉莫斯国家实验室模型对入射中子能量在1~8MeV的实验数据进行了分析,并用实验测量238U随入射中子能量变化的裂变碎片质量产量。
另一个项目组正在详细研究两个不同的中子探测器的特性,以测量瞬发裂变中子谱:传统的NE213探测器和对三联苯闪烁体探测器。在2012财年期间,欧洲原子能共同体的研究小组研究了对三联苯闪烁体探测器的性能,并准备将它用于调查能量范围高达10MeV的裂变中子谱。美国研究人员用NE213探测器测量了能量范围高达20MeV的不同的对称反应和靶。面临的主要挑战是制备合适的测量探测器效率的锂反应靶。目前已经确定并测试了两个靶。目前的任务主要集中在制备一个背衬为镍的锂靶。
两个项目正在研究先进的轻水堆燃料。一个是针对燃料/靶的制备和性能检测技术问题,进一步理解颗粒燃料技术。在2012财年中,项目团队完成了初步的压制和烧结研究,测量了多孔二氧化铀(UO2)颗粒的孔隙率。低密度颗粒的微观结构薄弱,因此非常适合作为轻水堆燃料芯块制造中的UO2粉末的替代品。
第二个项目是支持引入全陶瓷微型密封(FullyCeramicMicro-encapsulated,FCM)燃料。这种燃料被认为具有强的耐事故性能。项目团队已确立了燃料组件概念,并通过兼容性分析确定了可行性。研究人员已用设计基准事故及超设计基准事故分析手段对燃料增强的耐事故能力进行了验证,并已研制和辐照了燃料样品。目前开始对其测试和分析。
其他两个燃料项目正在检验快堆燃料。一个团队铸造了几个公斤级的合金,用以在研究钠冷快堆的金属燃料棒制造过程中最大限度地减少损失和废物流的方法。最有前途的样品将与三元合金进行比较。团队成员也已开始制造包覆样品,这些样品将在2012财年设计与制造的实验室规模的铸造系统中进行测试。
第二个快堆燃料项目旨在更好地了解快中子谱条件下的次锕系元素嬗变燃料的行为特征,例如先进混合氧化物燃料、先进金属合金燃料、惰性基质燃料和其他陶瓷燃料。在2012财年中,研究人员致力于开发高空间分辨率的仪器,这将有助于确定燃料的导热性和机械性能。他们采用聚焦离子束(FIB)并结合计算建模和仿真,对辐照燃料样品进行电子背散射衍射(EBSD)研究。美国研究组成员克服了重大挑战将FIB制备的样品运输到德国超铀元素研究所,支持对辐照碳化硅的联合检测。
最后一个FCR&D合作项目是设计电化学技术方法,回收乏燃料棒中的锆,使废物管理更有效。在2012财年中,研究人员对熔盐进行实验测量,目的是提供关键的建模参数。这些参数将被用于建立铀-锆电解精炼的三维动力学模型。该项目团队还开发了一个共沉积计算模型,用以在竞争电沉积的基础上研究电解锆回收系统。为了验证计算模型,研究人员分别在一个静态室和一个旋转滚筒室中开展了铜和镍的沉积实验。
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