美國科學家首次利用中子散射技術進行研究，深入探討高豐度低濃縮鈾（HALEU）三結構各向同性（TRISO）燃料顆粒的內部化學組成。這項研究由奧克里奇國家實驗室（ORNL）的研究人員主導，並獲得美國能源部（DOE）核能辦公室的資助，屬於AGR計劃的TRISO研究與開發工作。
相較於傳統的輕水反應堆燃料，HALEU能夠實現更高的能量產出，這種現象稱為燃耗（burnup）。這不僅提升了反應堆的性能，還通過更佳的燃料利用率、延長的加油間隔以及減少廢物生成來改善整體效益。TRISO燃料是高溫氣體反應堆（HTGRs）的關鍵技術，由含鈾核心及三層陶瓷和碳的保護層組成，能夠承受超過 2,900 華氏度的高溫。
每個TRISO燃料核心的大小相當於罌粟種子，但其結構卻極其堅固。儘管這種韌性使得TRISO燃料在下一代反應堆中具吸引力，但其內部化學成分的研究一直受到困難，因為傳統方法常常會毀壞這些顆粒。為了解決這一挑戰，研究人員轉向中子散射技術，這是一種能夠在不破壞燃料的情況下探測微觀材料的強大技術。
研究團隊在ORNL的散裂中子源（SNS）進行實驗，這裡提供了世界上最強的脈衝中子束。科學家們為首次HALEU TRISO散射測試對中子束進行了調整。利用散裂中子和壓力衍射儀（SNAP），研究人員將一束緊密聚焦的1毫米脈衝中子束指向未經輻照的HALEU TRISO顆粒。在中子穿過顆粒的過程中，部分中子被鈾原子吸收，其餘的中子則散射，並將燃料的內部結構和組成的信息傳遞到檢測器。
這些實驗提供了寶貴的見解，並為未來更詳細的TRISO燃料建模奠定了基礎。ORNL粒子燃料形式組的研發成員Will Cureton博士表示，這項研究聚焦於燃料核心內鈾碳化物和鈾氧化物之間的平衡。雖然這兩種組分對燃料性能至關重要，但具體的組成要求仍然不明確。
歷史上，TRISO燃料使用鈾氧化物核心，但在核裂變過程中釋放的氧氣可能與周圍的碳層反應，形成二氧化碳，可能會過度壓力並損壞燃料。美國能源部的先進氣體反應堆（AGR）燃料資格與開發計劃已採用基於鈾碳化物的核心，這些核心能夠吸收釋放的氧氣，並將其轉化為鈾氧化物，而不是二氧化碳。
Cureton提到，該項目的目標是確定在輻照後，隨著燃料的燃耗增加，消耗了多少鈾碳化物。他指出，這些測量提供了輻照前的基準，將使科學家能夠隨著輻照和燃耗的增加，追蹤鈾碳化物的消耗情況。深入了解核心組成如何影響TRISO行為，有望最終促進TRISO製造方法的經濟改善，進而帶來更安全、更有效及更具成本效益的燃料技術。
這項實驗為未來針對反應堆輻照的TRISO燃料進行中子散射研究鋪平了道路，這些測量將有助於追蹤顆粒內部的相變化和微觀結構演變。
