2026 年 10 月 15 日
西安大略大学（Western University）的研究团队利用高空间分辨率的电化学技术，揭示了核燃料在微观层面的腐蚀起始机制及其演变过程。这项研究由萨曼莎·盖特曼（Samantha Gateman）教授领导，旨在深入理解核燃料及反应堆材料随时间的变化规律，以及这些变化对安全存储和处理容器组件的影响。
盖特曼是该校 NWMO 辐射诱导化学主任。她与博士后研究人员 Soroosh Hakimian 和 Shamim Pourrahimi 合作，对微小的三结构同位素（TRISO）颗粒进行了详细分析。这种豆粒大小的核燃料核心被四个保护层环绕，具有独特的物理特性。研究团队首先确定了颗粒内部的化学成分，随后观察其表现行为。
研究发现令人意外：在 TRISO 燃料核心内部存在富含硅的区域，且这些区域在颗粒进入反应堆之前就已经存在。
颠覆传统认知：硅元素在辐照前已存在
每个微小的燃料核心都被多层结构包围，设计初衷是为了包容放射性裂变产物。此前，研究人员通常在经过辐射或使用过的 TRISO 燃料中检测到硅的存在，并普遍将其归因于反应堆运行期间，硅从周围的碳化保护层向内迁移所致。
然而，盖特曼、Hakimian 和 Pourrahimi 的最新成果证明，部分硅在燃料制造阶段即已存在于核心内部。这一发现为研究人员提供了新的基线，用于区分反应堆运行过程中产生的材料变化与初始状态下的固有成分，同时也引发了关于硅如何进入燃料核心的新疑问。
“这就像 CSI 侦探的工作，”盖特曼形容道，“起初我们只是觉得有趣，想进一步了解材料属性。但当我们开始追问‘硅从何而来’时，真正的调查才刚刚开始。”
该研究成果发表于《核材料杂志》（Journal of Nuclear Materials），为解析 TRISO 核燃料的一个关键微观特性提供了新线索。
确立燃料的初始化学成分基准
TRISO 颗粒包含一个直径约 300 至 400 微米的二氧化铀碳氧化物（UCO）燃料核心，大小类似豆子，外层包裹着碳和碳化硅层。一座核反应堆通常装载数十万甚至数百万个此类颗粒。
盖特曼实验室正在开展一项大型项目，旨在表征 TRISO 燃料颗粒的化学性质，以评估其未来的安全处置方案，并最终研究其电化学溶解行为。在此类实验开始前，精确掌握样本的初始状态至关重要。
Hakimian 和 Pourrahimi 通过细致的检测工作追踪到了这些痕迹。“正是他们严谨的研究使我们能够识别出这些特征，”盖特曼表示。
研究的关键在于检查从未接受过辐射的燃料样本。通过观察入堆前的材料状态，研究人员得以将燃料核心中原本存在的物质与反应堆运行期间可能引入的物质区分开来。
“我们在未进入反应堆的燃料核心中发现了硅，这意味着当我们在辐照后的燃料中看到硅时，不能自动假设它全部来自碳化硅涂层的迁移，”研究团队指出。
追溯源头：制造工艺中的残留
这一发现促使团队重新审视燃料制造工艺。TRISO 燃料核心是通过溶胶-凝胶（sol-gel）工艺生产的：含铀材料在热油浴中形成微小球体，随后经过热处理并获得保护涂层。
“令人惊讶的是，我们意识到硅的存在可能与燃料制造方式有关，”盖特曼说，“从化学角度看，油的成分在燃料核心形成过程中起着重要作用。”
研究人员拥有独特的机会验证这一假设，因为他们可以使用不同制造阶段的 TRISO 颗粒进行对比测试——既包括裸露的核心，也包括完全包覆的颗粒。结果显示，在这两个阶段中均存在硅。
“我们发现硅的存在并非后续涂层工艺的结果，”盖特曼强调，“当你制造核心时，它就已经在那里了。”
鉴于 TRISO 燃料概念可追溯至 20 世纪 50 年代，且已被研究数十年，这一发现显得尤为引人注目。技术的进步使得科学家能够以前所未有的精度观察和描述这些微小颗粒内部的细微物质。“回顾文献，我们只找到关于辐照后燃料中硅的报道，却缺乏入堆前详细的测量数据来量化初始含量。现在，我们拥有了更清晰的工具来了解材料在进入反应堆前的化学状况。”
遗留问题：对燃料性能的影响尚待明确
这一发现引起了国际 TRISO 燃料研究界的广泛关注。在今年夏季举行的国际 TRISO 燃料研讨会上，Hakimian 和 Pourrahimi 与早期研究的作者们进行了交流。对方表示，他们回顾了原始数据，未在辐照前的样本中发现硅，并继续坚持认为硅是从周围碳化硅层迁移至核心的。
盖特曼并未质疑这种迁移的可能性，但她指出，其实验室的工作为拼图增添了另一块关键碎片。“如果我们想知道反应堆运行期间有多少物体发生了移动，必须首先知道起点在哪里。”
至于是否应因此改变 TRISO 燃料的制造工艺，目前仍是一个开放性问题。先前的研究表明，辐照燃料中富含硅的区域可能会影响燃料颗粒内的气体积聚和压力分布。
“我们还不知道这些富硅相对燃料性能的具体影响，但存在一些有趣的可能性，”盖特曼总结道，“第一步是认识到它们的存在，并确保在研究燃料行为时将这一因素纳入考量。”
参考文献：
Soroosh Hakimian 等，《铀氧碳化物（UCO）各向同性三结构同向性（TRISO）燃料芯粒中富硅相的来源：制备工艺驱动的形生及其对燃料性能的影响》，《核材料杂志》（2026）。DOI: 10.1016/j.jnucmat.2026.156870
