美國能源部下屬阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家通過研究液態(tài)氧化钚(PuO2)在高達(dá) 3,000 開爾文的極高溫度下的行為，取得了重大發(fā)現(xiàn)。

這項(xiàng)重要研究可以大大改善未來核反應(yīng)堆的安全性和有效性。進(jìn)行這項(xiàng)研究的必要性在于了解核燃料材料在極端條件下的行為至關(guān)重要。

2014 年，阿貢科學(xué)家測(cè)量了熔融二氧化鈾 (UO2) 的結(jié)構(gòu)，二氧化鈾是核燃料的關(guān)鍵部分。

然而，由于安全問題和材料本身的復(fù)雜性，檢查 PuO2 更具挑戰(zhàn)性。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)技術(shù)

研究團(tuán)隊(duì)采用了一種新技術(shù)，將微小的PuO2樣品懸浮在氣流中，然后用激光加熱。研究人員在新聞稿中表示：“直徑約2毫米的PuO2樣品懸浮在氣流中，然后用二氧化碳激光束加熱，直到它們?nèi)刍?rdquo;

“這使得團(tuán)隊(duì)能夠在高達(dá) 3,000 K 的溫度下測(cè)量樣品的結(jié)構(gòu)，而不會(huì)產(chǎn)生因容器相互作用而導(dǎo)致樣品污染的風(fēng)險(xiǎn)。”

這項(xiàng)研究的成果引人注目。通過使用不同的氣流以不同的溫度加熱樣品，研究人員觀察到了熔體的揮發(fā)性和結(jié)構(gòu)在不同大氣條件下的變化。

阿貢高級(jí)物理學(xué)家克里斯·本莫爾說： “我們分析了液態(tài)氧化钚的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)確實(shí)存在一些共價(jià)鍵。”

“我們還發(fā)現(xiàn)這種液體結(jié)構(gòu)與二氧化鈰相似，可以用作非放射性替代品。”

雖然研究人員以前曾使用懸浮器在極高的溫度下熔化材料，但將這種方法用于核燃料材料會(huì)帶來額外的挑戰(zhàn)，需要更高水平的技術(shù)技能和徹底的安全審查。

模擬電子行為

除了實(shí)驗(yàn)成功之外，研究團(tuán)隊(duì)還利用了阿貢強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

他們開發(fā)了機(jī)器學(xué)習(xí)模型來模擬電子在系統(tǒng)中的行為，旨在闡明未來核反應(yīng)堆中使用混合氧化物燃料時(shí)的結(jié)合機(jī)制和安全問題。

阿貢國家實(shí)驗(yàn)室化學(xué)和燃料循環(huán)技術(shù)部門主任馬克·威廉森指出了他們的發(fā)現(xiàn)具有更廣泛的意義。

威廉姆森強(qiáng)調(diào)說：“這組實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)不僅提供了具有技術(shù)重要性的信息，而且還深入了解了錒系氧化物在極端溫度下的基本行為。”

阿貢實(shí)驗(yàn)室的特殊作用

在阿貢國家實(shí)驗(yàn)室，科學(xué)家可以使用專門的設(shè)施并擁有豐富的專業(yè)知識(shí)，這使他們能夠應(yīng)對(duì)這一復(fù)雜的挑戰(zhàn)。

本莫爾強(qiáng)調(diào)說：“阿貢可能是世界上唯一能夠進(jìn)行這種非常困難的實(shí)驗(yàn)的地方。”

最新研究代表著在創(chuàng)建更安全、更高效的核能系統(tǒng)方面邁出了重要一步。

威廉姆森總結(jié)道：“這是專家們的一次精彩合作，也是我們?nèi)绾喂餐Σ粩喔倪M(jìn)核能系統(tǒng)的一個(gè)極好的例子。”