自然界中，極小曲面現(xiàn)象廣泛存在，如泡泡薄膜、蝴蝶翅膀等，這些形狀在特定邊界內(nèi)擁有最小表面積。愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(INL)的研究人員正探索一種基于三重周期極小曲面(TPMS)的核燃料設(shè)計(jì)——交織核燃料晶格(INFLUX)燃料，旨在通過(guò)模擬自然界復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，顯著提升核燃料性能。

INFLUX燃料摒棄了傳統(tǒng)圓柱形燃料棒，采用TPMS形狀，形成復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)，有效增強(qiáng)熱交換。研究員尼古拉斯·伍爾斯滕霍爾姆形象地描述TPMS為“三維空間中的正弦波”，其連續(xù)重復(fù)的曲面可創(chuàng)建交織晶格，提升傳熱效率。實(shí)驗(yàn)顯示，這種幾何形狀將傳熱系數(shù)提高至標(biāo)準(zhǔn)棒狀燃料的三倍，直接影響燃料棒功率密度及核反應(yīng)堆經(jīng)濟(jì)性。

計(jì)算機(jī)模型進(jìn)一步揭示，改善傳熱性能不僅提升燃料產(chǎn)熱能力，還降低燃料厚度與溫度。然而，INFLUX結(jié)構(gòu)的復(fù)雜幾何形狀對(duì)制造技術(shù)提出挑戰(zhàn)。INL研究人員結(jié)合商用增材制造與熱等靜壓技術(shù)，成功在多種材料體系中制造出INFLUX結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)燃料棒相比，INFLUX燃料設(shè)計(jì)使冷卻劑在“光滑迷宮”中流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更好混合與傳熱，同時(shí)避免水力阻力過(guò)度增加，提高核反應(yīng)堆安全性與穩(wěn)定性。此外，該設(shè)計(jì)還可能帶來(lái)中子學(xué)優(yōu)勢(shì)，減少中子逃逸，增強(qiáng)中子與燃料相互作用。

盡管INFLUX燃料設(shè)計(jì)新穎，但需大量工作以獲得反應(yīng)堆開(kāi)發(fā)商與監(jiān)管機(jī)構(gòu)認(rèn)可。伍爾斯滕霍爾姆表示，需確定最合適反應(yīng)堆類(lèi)型，并優(yōu)化水力阻力。微型反應(yīng)堆與氣冷反應(yīng)堆或成良好候選者。同時(shí)，TPMS形狀熱交換器或以其他方式助力核能產(chǎn)業(yè)，如部署于產(chǎn)生蒸汽或冷卻水的熱交換結(jié)構(gòu)中。最終，這項(xiàng)研究證實(shí)了TPMS形狀核燃料設(shè)計(jì)有助于打造高效緊湊反應(yīng)堆堆芯。