论文标题：Multiscale Approach of Investigating the Density of Simulated Fuel for a Zero Power Reactor

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-4362/5/3/26

期刊名： Journal of Nuclear Engineering

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/jne

在第四代反应堆中，熔盐反应堆（MSR）因其优异的热效率、低压运行及燃料循环灵活性而备受关注。燃料密度作为影响反应堆中子经济性和功率分布的关键参数，其精确表征对零功率盐反应堆（ZPR）的设计与安全分析至关重要。然而，含氯化物盐（如NaCl-UCl₃）对湿度和氧气极为敏感，传统密度测量方法面临挑战。为此，来自University of Lincoln工程与物理科学学院的Suneela Sardar，联合Lancaster University的Claude Degueldre及Northumbria University的Sarah M. Green，在Journal of Nuclear Engineering发表最新成果，以NaCl-CeCl₃（Ce为U的非放射性替代元素）为模拟燃料，采用从厘米级到纳米级的多尺度方法，系统表征了燃料密度在不同空间尺度下的分布特征。

研究过程与结果

研究团队选取NaCl（70 mol%）与CeCl₃（30 mol%）的近共晶组成，在氮气手套箱（H₂O与O₂ < 0.4 ppm）中称量混合后，以519 MPa压力压制成直径7 mm的生坯燃料芯块（green pellets）。随后，分别从三个尺度对密度进行分析：

1. 堆芯/组件级（厘米尺度）：通过几何计算对比了六角形与正方形燃料棒束排列方式。六角形紧密排列的理论相对密度为90.7%，高于正方形排列的78.5%。考虑实际棒间距（半间距）后，相对密度随间距增加而迅速下降，为反应堆堆芯设计提供了量化依据。

2. 芯块级（毫米—微米尺度）：采用扫描电子显微镜（SEM，二维）和三维激光显微镜（LM）对燃料芯块表面的孔隙与裂纹进行成像与重构。图像分析表明，二维SEM方法得到的孔隙率约为9.7%，三维LM方法约为10.8%。经Mountain软件重构后，计算得到的芯块密度分别为3.00 g·cm^-3（2D/SEM）和2.97 g·cm^-3（3D/LM），均低于理想混合密度模型的理论值（3.065 g·cm^-3）。下图展示了NaCl-CeCl₃压制成型燃料芯块的SEM显微图，其中NaCl为蓝绿色、CeCl₃为粉色、孔隙/空洞为深蓝色，直观揭示了芯块内部的不均匀性。

NaCl-CeCl₃压制成型燃料芯块的SEM显微图

3. 晶粒级（纳米尺度）：采用X射线衍射（XRD）分析晶粒密度。通过RIR定量相分析和Scherrer公式计算，CeCl₃平均晶粒尺寸约58 nm，NaCl约76 nm。结合晶体衍射峰面积与背景散射，计算得到样品结晶度为75.3%，由此获得的晶粒密度为3.13 g·cm^-3，相对孔隙率仅为5.9%。晶粒密度高于芯块密度，表明压制过程中颗粒间仍存在孔隙，同时部分区域存在缺陷与非晶化现象。

结论总结

该研究明确指出：燃料密度在不同尺度上存在显著差异—六角形排列可使堆芯相对密度达到90%以上；芯块级孔隙（约10%）主要来源于颗粒间空隙；晶粒级缺陷（约6%）则与机械压制造成的晶格畸变及局部非晶化有关。多尺度方法结合SEM、LM与XRD，能够在不破坏吸湿性样品的前提下提供跨尺度密度数据，特别适用于未来真实放射性熔盐燃料的分析。

研究团队下一步计划：（1）引入透射电子显微镜（TEM），在原子尺度识别缺陷与非晶区域；（2）结合X射线计算机断层扫描（X-CT），实现孔隙与裂纹的三维定量表征；（3）将该方法拓展至NaCl-UCl₃真实燃料体系，为零功率熔盐反应堆的中子物理计算与安全评估提供高精度输入数据。这项研究为熔盐燃料物性表征建立了可复现的多尺度技术路线。

期刊介绍

主编：Dan Gabriel Cacuci, University of South Carolina, USA

期刊创刊于2020年，最新Impact Factor 1.7，CiteScore 2.3，是一个国际开放获取期刊，发表同行评审的论文。期刊涵盖了与核和辐射过程的科学和应用相关的原创研究、想法和进展。发文类型包括original research papers, reviews, communications, brief reports, opinions, technical notes, editorials等。

截至目前，Journal of Nuclear Engineering期刊已被Scopus, ESCI (Web of Science), EBSCO等数据库收录。