利用X射线光谱成像技术量化高燃耗UO2燃料中的裂变气体

《Journal of Nuclear Materials》：Using X-ray Spectrum Imaging to Quantify Fission Gas in High-Burnup UO2 Fuel

　　

摘要

为更好地理解并预测轻水反应堆燃料在正常及瞬态条件下的变化情况，有必要对燃料中的裂变气泡进行分析。裂变气泡最重要的参数之一是其内部气体的压力，主要是氙气。气泡的体积和位置（颗粒间还是颗粒内）也是需要考虑的重要因素。然而，由于这些气泡体积小且深埋在燃料中，对其开展实验分析十分困难，而且要获得有用的数据还需要分析大量样本。本文提出了一种利用扫描透射电子显微镜中的X射线能谱成像技术来测量氙气气泡压力的方法。通过分析X射线的产生情况以及仪器参数，可以估算出产生一定数量Xe L系列X射线计数所需的氙原子数量，再根据估算出的气泡体积计算出氙气密度，最后通过状态方程将密度转换为压力。我们将该方法应用于北安娜1号反应堆高燃耗燃料在辐照状态及失冷事故测试后的XSI数据集，发现裂变气泡中的氙气压力大约在1 GPa左右。

引言

裂变气体的扩散与释放是准确评估轻水反应堆燃料在稳态及瞬态条件下性能的关键因素。在正常的轻水反应堆辐照条件下，裂变气体的积聚与后续释放会降低燃料颗粒的热导率，进而影响颗粒与包壳间隙处的热传递。随着裂变气体在间隙中不断积累，间隙的热导率下降，导致燃料温度上升。较高的温度会加速燃料内部裂变气体的扩散，从而使燃料气化率升高。此外，裂变气体凝结成气泡还会导致燃料膨胀、颗粒与包壳之间产生机械作用，同时在燃料的游离空间内形成压力，进一步加剧包壳的损坏。

在UO₂中生成的裂变气体由于其溶解度较低，不会溶解到UO₂基体中，而是优先向UO₂结构中的孔隙或晶界等聚集处扩散。裂变气体通常以与铀空位相关的化合物形式存在，这些化合物最终会形成气泡，降低系统的整体能量，从而在热力学上更为有利。颗粒内和晶面处的气泡都是裂变气体储存的优选位置。随着时间的推移，由于晶界处持续有裂变气体析出，晶面处的气泡会不断生长、相互连通并合并。这些相互连接的气泡为燃料气化率向燃料的游离空间扩散提供了路径，尤其是在燃料温度较高的区域，比如颗粒中心[[1], [2], [3]]。

在高燃耗结构燃料中，裂变气体主要储存在基体中的气泡里，尤其是颗粒周边。高燃耗结构的特征是会出现小的亚颗粒，这会使颗粒尺寸变小，同时气泡密度也会很高[4]。随着燃耗增加，燃料中会形成更多气泡，储存的裂变气体密度也会上升。在发生瞬态事件时，储存裂变气体的区域温度可能会上升数百摄氏度，导致气泡密度较高的区域出现微裂纹和晶界分离。在某些事故条件下，比如失冷事故中，压力过高的裂变气体会导致燃料碎裂[5]。这是因为气泡会对周围的颗粒和基体材料施加足够大的压力，引发微裂纹。这种现象在存在高燃耗结构的颗粒周边以及类似高燃耗结构形成的暗区尤为明显。在极端情况下，这一过程最终可能导致燃料粉碎，尤其是在高燃耗燃料中。

对裂变气体行为的建模是轻水反应堆核燃料性能研究中的重要内容，尤其对于了解燃料棒的热机械响应而言意义重大。鉴于上述种种复杂性，准确建模裂变气体行为的机制仍然是重要的研究方向。这对于开发能够在多种条件下预测燃料性能的模型至关重要。其中尤为具有挑战性的是准确描述气泡的瞬间释放现象——在快速温度变化过程中会出现几乎瞬间的燃料气化率飙升，这种现象无法仅用基于扩散的机制来解释。要准确捕捉这一现象，就需要了解裂变气体的气泡体积和压力，因为它们会影响稳态和瞬态条件下的燃料气化率。此外，区分颗粒间气泡和颗粒内气泡等其他因素，对于建立机理模型也很关键。因此，我们有必要对辐照状态以及失冷事故测试后的燃料中的裂变气泡进行表征，为建模提供对比依据和起点。尤其是气泡中氙气的气压信息将极具价值。我们采用了扫描透射电子显微镜中的X射线能谱成像技术。虽然此前已有研究使用扫描透射电子显微镜中的电子能量损失光谱技术分析燃料及相关材料[6,7]，但我们选择XSI技术是因为它速度更快，能够高效地分析大量气泡，从而为研究提供更庞大的数据样本。

本文介绍了利用STEM-XSI技术量化气泡中氙气压力的方法，并对比了辐照状态和失冷事故测试后的气泡情况。

章节要点

理论方法

过去有一些有限的研究[8]试图通过EDS技术测定燃料中氙气气泡的密度；不过那些研究是用较为原始的透射电子显微镜和EDS设备进行的，由于当时设备的限制，只能检测直径在50-80纳米的大气泡，但依然得出了合理的密度值（约为1-4 g/cm³，换算过来大约是5-20原子/纳米³，这一数值接近固体密度约4 g/cm³，但他们未能观察到衍射峰来确认气泡是否已经结晶）。Klimenkov等人[9

结果与讨论

为展示该方法的有效性，这里展示了两种不同的薄片样本，一种来自r/r₀≈0.11的高温区域，另一种来自r/r₀≈0.50的温和温度区域。这两个样本的燃耗程度几乎相同，位于中间的样本燃耗略低。位于中间区域的样本几乎没有亚颗粒，且以大孔隙为主，而位于r/r₀≈0.50区域的样本则出现了部分结构重构，同时还存在颗粒间和颗粒内的孔隙[21]。

对北安娜1号反应堆裂变气泡压力的燃料性能验证

北安娜1号反应堆的燃料棒是用于高燃耗铅测试棒项目中的三根测试棒之一[18]。这根燃料棒在堆芯的中心区域运行了两圈后，被移到了堆芯周边。之后，其余两根测试棒也被从原来的堆芯组件中取出，重新安装到新的组件中。新的组件又被放入堆芯中心，又运行了第四圈。图15显示了所研究轴向位置上的功率随时间的变化情况。

结论与后续工作

总体而言，本文介绍的方法仍在不断完善中，但它表明，扫描透射电子显微镜中的XSI技术是一种可行且非常有价值的手段，可用于估算高燃耗燃料中裂变气泡的氙气密度（进而推断氙气压力）。该技术的主要优势在于，可以在一个数据集中分析大量气泡，从而获得大量的数据样本，有助于了解晶界等结构特征对燃料性能的影响。其主要缺点是

CRediT作者贡献说明

Chad M. Parish：撰写——初稿撰写、软件应用、方法设计、实验研究、正式分析、概念构建。Lauryn Reyes：撰写——审阅与编辑、软件应用、方法设计、实验研究。Brian D. Wirth：撰写——审阅与编辑、监督指导、概念构建。Casey McKinney：撰写——审阅与编辑、实验研究。Jason Harp：撰写——审阅与编辑、概念构建。Nathan Capps：撰写——审阅与编辑、监督指导、资金筹集、概念构建。

Chad M. Parish|Lauryn Reyes|Brian D. Wirth|Casey McKinney|Jason Harp|Nathan Capps