近日，在美国爱达荷国家实验室(INL)热燃料检测设施内，安全壳操作员杰克·莫平正操纵机械臂，为热室中的关键操作做准备。此前，他和同事们已反复练习相关步骤。

操作过程中，莫平未直接夹紧燃料棒，而是操控爪状钳子在距离燃料棒几毫米处悬停。与此同时，另一名操作员罗布·考克斯使用低速金刚石锯切割燃料棒。切割完成后，燃料棒断面立即脱落，莫平迅速用机械手钳子在半空中将其钩住，考克斯称赞道：“接得好。”

在接下来的几个月里，考克斯、莫平和同事们将重复这一操作数十次，为准备下一代由西屋公司设计和制造、并在商用反应堆中进行辐照的燃料棒，开展辐照后检查和测试。

工程师设计的这些燃料具有耐事故性且能实现高燃耗。事故容错特性在正常运行、功率峰值和反应堆事故期间，可提高安全性能，使燃料棒达到更高燃耗，如增加燃料芯块中可裂变铀235的使用量，从而提高发电厂电力输出并延长运行周期。不过，风险也较高，这些事故容错燃料(ATF)最终可能为整个美国反应堆提供动力。

这些技术每年可为电费支付者节省数百万美元，同时提高核电站在潜在(尽管可能性极小)事故条件下的恢复能力。但首先，业界和核管理委员会需要海量数据来了解燃料性能。INL是世界上少数几个拥有能力和专家来量化核燃料在正常运行和事故条件下行为的机构之一。对参与测试的数十位INL专家而言，这是一次全面测试高燃耗和ATF的难得机会，如今测试已正式开始。

西屋公司向INL运送燃料的讨论大约始于十年前，而燃料棒的真正历史可追溯至2011年日本东北地震和随后的海啸。这两场灾难摧毁了日本海岸线，并严重损坏了福岛第一核电站的几座反应堆，导致三座反应堆的电力供应和冷却系统瘫痪，最终引发严重堆芯损坏和放射性物质泄漏。若应急人员有更多时间寻找应急电力或额外的冷却水，这种后果或许可以避免。而ATF可在异常运行条件下为工厂操作员提供更高安全裕度，在发生事故时提供额外时间来实施安全措施。

ATF的另一个好处是能为反应堆提供更长时间的动力，即高燃耗特性，这是核工业满足现代经济能源需求、尤其是新兴数据中心等需求的直接解决方案。此类燃料旨在产生更多能量，并在传统轻水反应堆内燃烧更长时间。

为满足这双重需求，西屋公司是与美国能源部达成合作协议的几家公司之一，开发了具有事故容错和高燃耗特性的燃料。在INL进行三轮辐照测试后，西屋公司的燃料于2019年被装入商用反应堆。2021年，橡树岭国家实验室收到一批西屋燃料用于检查和测试;2023年12月，INL收到第一批燃料。

在INL热燃料检测设施中，操作员在四英尺厚的多层玻璃窗掩护下，依靠高科技和低科技组合对燃料进行无损和破坏性检测，并为辐照测试做好准备。除激光器和伽马能谱仪外，墙上还挂着一排排开口扳手。在考克斯和莫平用金刚石锯对燃料棒进行精细切割前，操作员会使用普通管道切割机进行粗切割，切割位置用缠有胶带的记号笔标记，以便爪状远程操控器抓取。

对已在商用反应堆中遭受54个月中子损伤的燃料棒进行全面检查，可建立基线数据，帮助研究人员更好地了解下一代燃料在反应堆事故中可能的行为。西屋燃料辐照后检测首席研究员亚伦·科尔德维表示，会进行广泛无损检测，在开始破坏性检测前收集尽可能多信息，包括目视检查、伽马能谱分析以及仔细测量燃料棒直径，以了解包壳和燃料在辐照过程中的相互作用。

当燃料中的铀-235在反应堆中发生裂变时，会产生各种放射性核素。伽马能谱法用于探测燃料棒沿其整个长度以递增步长发射出的伽马辐射场，以极高分辨率测量燃料棒长度方向上的伽马射线辐射，确定燃料组件中物理特征的位置，如隔离格架或燃料棒内部的单个燃料芯块，这些信息有助于确定切割燃料棒进行破坏性检查的位置。由于每种放射性核素都会发出独特特征，数据还可了解核燃料棒的辐照历史以及裂变过程产生的特定裂变产物种类的化学行为。

另一项名为轮廓测量法的检查会精确测量燃料棒的表面尺寸，与原始测量值比较后，可计算出燃料棒寿命期间包层尺寸的变化量。该测量值用于估算剩余的失效裕度。

现在，燃料棒已准备好在INL材料和燃料综合设施的先进测试反应堆(ATR)或瞬态反应堆测试(TREAT)设施中进行分段和破坏性测试，包括辐照测试。研究人员利用激光在包层上开微小穿刺孔，采集辐照过程中产生的裂变气体样本，并直接测量棒内的气体压力和自由体积，收集气体样本后进行成分分析。

“我们从13英尺长的燃料棒开始，需要将它们切成大约10英寸的段，用于未来的TREAT测试，”科尔德维说，“这需要非常高精度的精细切割。我们还从每根燃料棒中提取一些不同的样本，进行同位素和氢元素的测量，最终用于支持进一步的实验，以了解未来燃料棒设计所需的材料行为和特性。”

然后，专家们切掉包层和燃料的部分，并准备样品，以便在INL用传统显微镜和电子显微镜进行检查。显微镜可帮助研究人员观察辐射过程中发生的损伤和变化，如燃料中的裂纹和孔隙，还能识别含氢相(称为氢化物)在包壳中析出的位置，这些氢化物主要源于反应堆包壳的腐蚀，会导致包壳脆化，测量氢含量为了解反应堆堆芯的损伤提供了重要线索。

“有一些有趣的环状区域，表明燃料的微观结构是如何演变的，”科尔德维说，“这反映了燃料在经过一段时间的辐照后会发生什么，这对于理解燃料在事故场景下的行为以及理解TREAT核反应堆中会发生什么至关重要。”

其他覆层样品需接受机械测试，如推、拉或拉伸样品直至其断裂点，以测试其强度。研究人员会从覆层壁铣出不同的狗骨形状，以便测试样品在不同方向上的强度，进行轴向拉伸测试和环向拉伸测试，从而测量材料的机械响应。

研究人员还对燃料进行了密度测量，以了解裂变气体(会产生微小气泡并产生孔隙)和热膨胀如何改变燃料的密度。“我们想知道密度是否偏离了标称值，以及这会如何影响其性能和事故耐受性，”科尔德韦说。

与汽车行业类似，安全性能必须在极端条件下进行验证。热室测试最终的核当量相当于几辆跑车撞向混凝土墙。在这种情况下，跑车就像先进的燃料棒，而混凝土墙则是TREAT——一座旨在释放短时间高强度辐射的核试验反应堆，其设计目标是在事故场景下破坏物体，就像汽车碰撞测试一样。

“我们想知道反应堆里的燃料是否会失效，以及失效的方式，”参与重新制作试验燃料棒的研究人员之一乔丹·阿盖尔说，“唯一的办法就是进行测试。”

“这可能是(INL材料和燃料综合体)发生的最酷的事情，”阿盖尔继续说道。

小棒必须能够承受超过1,000 psi的内部压力，以容纳测试产生的裂变气体。一旦小棒准备就绪，“我们需要装入一堆小棒内部构件，”阿盖尔说，“里面有陶瓷材料颗粒，可以形成热缓冲，防止热量熔化端盖。它们还能帮助复制反应堆中大型燃料棒的热力学特性。还有弹簧将所有部件固定在一起，它们非常紧密地配合。”

然后将端盖焊接到覆层上。在整个过程中，专家会使用与猎人使用的相同类型的瞄准镜来检查焊缝。之后，技术人员会使用一个直径为千分之二十英寸的小孔，注入氦气和氩气混合物，以模拟裂变气体混合物的热特性，然后将小孔焊接封堵。

端盖上装配了大量的仪器，以便研究人员能够在燃料棒位于反应堆内部时获取其实时数据。这些传感器可以测量从声发射、端盖压力到温度和机械运动等各种数据。

“我们刚刚完成了最简单的制造，”阿盖尔说，“它们会变得越来越复杂。有些传感器有电线，你必须小心，不要损坏电线。有些传感器的体积更大，压力也更高，他们正在讨论将热电偶(测量温度的装置)直接焊接到包层上。”

专家将13英尺长的燃料棒分段，并采集燃料和包壳样本后，必须将每段燃料棒重新组装成密封的小棒，然后将其插入瞬态水辐照系统(TWIST)的密封舱——一种专为专门测试而设计的实验密封舱。该过程对小棒的精度要求极高，以确保其性能与普通燃料棒相媲美。

阿盖尔说：“重新制造的目的是让它尽可能地接近真正的燃料棒的原型。”

每根小杆的完成都需要一支专业的团队。“从收货到焊接，大概有26个人参与了整个流程，”阿盖尔说，“如果其中任何一个员工缺席，我们都无法完成。”

组装好小棒并在小棒支架上进行测试后，TWIST装置就组装完毕，并将小棒装入装置内部。这样，这个集成装置——TWIST胶囊——就准备好进行实验了。

为确保安全，TWIST模块组装完成后，将被放置在名为Big-BUSTER(广泛使用样品瞬态实验装置)的辐照系统中。9英尺长的锆铌合金管道为TREAT辐照测试提供了安全压力边界。该实验装置位于Big-BUSTER装置内，并通过一个屏蔽容器转移至TREAT装置。之后，实验装置被送入TREAT装置，并对所有仪器进行检查，以确定运输和搬运后的功能。这项工作最早可能于本月完成。

INL技术人员将在下一个财政年度制造另外三个小棒，此后在可预见的未来每年将制造两到六个小棒。

阿盖尔说：“我们能够收集的大量数据引起了很多人的兴趣。”

TWIST装置进行的一种测试是冷却剂失控事故(LOCA)，这是一种假设的商业发电厂事故，由于机械系统极不可能发生的严重故障，导致反应堆堆芯水流失。在这种情况下，堆芯可能会升温，并导致多种潜在后果，包括燃料损坏导致放射性物质释放(通常称为熔毁)。西屋电气的ATF燃料棒等下一代核燃料的设计旨在最大限度地降低这些后果发生的可能性和严重程度。

TWIST看起来有点像一根倒置的杠铃，有两个舱室。顶部的舱室——TWIST舱——装有核燃料、水和仪器。

在LOCA测试期间，TREAT反应堆操作员会用强烈的辐射脉冲轰击TWIST反应堆密封舱中被水包围的燃料，持续约30秒。这种辐射脉冲会形成类似于商用反应堆中正常运行燃料棒的热条件。然后，事故事件模拟开始，将水排入TWIST反应堆密封舱底部的一个空箱中。之后，操作员将除去水的燃料棒再次置于低强度辐射爆发中，持续100秒，模拟事故期间燃料棒产生的余热。辐射时间和TREAT功率水平均可由实验人员轻松修改，并根据测试的具体目标进行调整。

INL的实验设计工程师克林特·安德森表示，正常情况下，小棒的温度会不断升高，直至试样失效。“换句话说，小棒会变得非常热，”他说，“这种温度升高，加上加压小棒和低压舱之间的压差，可能会导致包壳膨胀并破裂。”

虽然冷却剂失效(称为过冷情景)是限制性更强的安全事件，但该系统也可用于探索其他类型的事件，例如反应性插入事故(称为过功率情景)。在反应性插入事故测试中，TREAT操作员用中子辐射脉冲轰击浸没的燃料棒，模拟控制棒从商用反应堆堆芯中突然移除的情况。在此测试期间，TWIST容器内的水不会排出。

“水位始终保持在同一水平，”安德森说，“我们把它放入TREAT试验中，使用更高功率的脉冲来观察弹丸包壳的机械相互作用，或者水快速沸腾导致的突然压力峰值。”

一旦TREAT实验完成，小棒将被转移回热燃料检查设施进行拆卸和瞬态后检查，这项工作将于2025年夏季和秋季进行。

最终，对这些高燃耗和ATF燃料棒进行“碰撞测试”，将有助于业界将这些燃料棒的设计授权给全国各地运行的反应堆，最终实现更安全、性能更高的核反应堆。

美国能源部先进燃料项目国家技术总监丹·瓦克斯表示，这种先进燃料标志着商用轻水反应堆进入了创新的新时代。“轻水堆领域的创新停滞了几十年，”他说，“事故容错燃料项目的启动，真正重新唤醒了商用核反应堆领域的创新渴望。”

大约花了10年的时间，先进燃料的初步想法才发展到研究人员可以在商用反应堆中进行演示的程度。“但为了真正正确地评估它们，我们需要在热室中进行检查，”瓦克斯说。

INL是企业获取燃料数据以验证其性能并最终获得NRC批准的最佳场所之一，在某些情况下，甚至是唯一的场所。随着TREAT项目初步实验的成功，核能行业将对其创新技术的商业化充满信心。

“通过检验和测试西屋公司和其他制造商的燃料，INL的研究人员为业界提供了一条将其燃料推向市场的清晰途径，”瓦克斯说道，“成功只会激发人们对更多创新的渴望。我们在这一领域的成果最终将增加对新型核燃料的投资。”