美国能源部下属阿贡国家实验室的科学家通过研究液态氧化钚(PuO2)在高达 3,000 开尔文的极高温度下的行为，取得了重大发现。
这项重要研究可以大大改善未来核反应堆的安全性和有效性。进行这项研究的必要性在于了解核燃料材料在极端条件下的行为至关重要。
2014 年，阿贡科学家测量了熔融二氧化铀 (UO2) 的结构，二氧化铀是核燃料的关键部分。
然而，由于安全问题和材料本身的复杂性，检查 PuO2 更具挑战性。
创新实验技术
研究团队采用了一种新技术，将微小的PuO2样品悬浮在气流中，然后用激光加热。研究人员在新闻稿中表示：“直径约2毫米的PuO2样品悬浮在气流中，然后用二氧化碳激光束加热，直到它们熔化。”
“这使得团队能够在高达 3,000 K 的温度下测量样品的结构，而不会产生因容器相互作用而导致样品污染的风险。”
这项研究的成果引人注目。通过使用不同的气流以不同的温度加热样品，研究人员观察到了熔体的挥发性和结构在不同大气条件下的变化。
阿贡高级物理学家克里斯·本莫尔说： “我们分析了液态氧化钚的结构，发现确实存在一些共价键。”
“我们还发现这种液体结构与二氧化铈相似，可以用作非放射性替代品。”
虽然研究人员以前曾使用悬浮器在极高的温度下熔化材料，但将这种方法用于核燃料材料会带来额外的挑战，需要更高水平的技术技能和彻底的安全审查。
模拟电子行为
除了实验成功之外，研究团队还利用了阿贡强大的超级计算机。
他们开发了机器学习模型来模拟电子在系统中的行为，旨在阐明未来核反应堆中使用混合氧化物燃料时的结合机制和安全问题。
阿贡国家实验室化学和燃料循环技术部门主任马克·威廉森指出了他们的发现具有更广泛的意义。
威廉姆森强调说：“这组实验得出的数据不仅提供了具有技术重要性的信息，而且还深入了解了锕系氧化物在极端温度下的基本行为。”
阿贡实验室的特殊作用
在阿贡国家实验室，科学家可以使用专门的设施并拥有丰富的专业知识，这使他们能够应对这一复杂的挑战。
本莫尔强调说：“阿贡可能是世界上唯一能够进行这种非常困难的实验的地方。”
最新研究代表着在创建更安全、更高效的核能系统方面迈出了重要一步。
威廉姆森总结道：“这是专家们的一次精彩合作，也是我们如何共同努力不断改进核能系统的一个极好的例子。”
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