美國能源部下屬阿貢國家實驗室的科學家通過研究液態氧化钚(PuO2)在高達 3,000 開爾文的極高溫度下的行為，取得了重大發現。

這項重要研究可以大大改善未來核反應堆的安全性和有效性。進行這項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重要。

2014 年，阿貢科學家測量了熔融二氧化鈾 (UO2) 的結構，二氧化鈾是核燃料的關鍵部分。

然而，由于安全問題和材料本身的復雜性，檢查 PuO2 更具挑戰性。

創新實驗技術

研究團隊采用了一種新技術，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，直到它們熔化。”

“這使得團隊能夠在高達 3,000 K 的溫度下測量樣品的結構，而不會產生因容器相互作用而導致樣品污染的風險。”

這項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性和結構在不同大氣條件下的變化。

阿貢高級物理學家克里斯·本莫爾說： “我們分析了液態氧化钚的結構，發現確實存在一些共價鍵。”

“我們還發現這種液體結構與二氧化鈰相似，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帶來額外的挑戰，需要更高水平的技術技能和徹底的安全審查。

模擬電子行為

除了實驗成功之外，研究團隊還利用了阿貢強大的超級計算機。

他們開發了機器學習模型來模擬電子在系統中的行為，旨在闡明未來核反應堆中使用混合氧化物燃料時的結合機制和安全問題。

阿貢國家實驗室化學和燃料循環技術部門主任馬克·威廉森指出了他們的發現具有更廣泛的意義。

威廉姆森強調說：“這組實驗得出的數據不僅提供了具有技術重要性的信息，而且還深入了解了錒系氧化物在極端溫度下的基本行為。”

阿貢實驗室的特殊作用

在阿貢國家實驗室，科學家可以使用專門的設施并擁有豐富的專業知識，這使他們能夠應對這一復雜的挑戰。

本莫爾強調說：“阿貢可能是世界上唯一能夠進行這種非常困難的實驗的地方。”

最新研究代表著在創建更安全、更高效的核能系統方面邁出了重要一步。

威廉姆森總結道：“這是專家們的一次精彩合作，也是我們如何共同努力不斷改進核能系統的一個極好的例子。”