美国科学家从自然界汲取灵感，设计下一代核燃料

美国爱达荷国家实验室的研究人员正将核燃料设计推向全新维度。他们从蝴蝶翅膀、海胆外壳等自然结构中获取灵感，开发出一种基于三重周期极小曲面的燃料几何形态，这项技术有望从根本上改变核反应堆的热管理方式和安全特性。

这一名为INFLUX的概念设计，全称为"增强热交换的交织核燃料晶格"，突破了沿用数十年的圆柱形燃料棒范式。通过引入数学上精确定义的极小曲面结构，研究团队试图解决传统核燃料在传热效率和应急冷却方面的固有局限。

从数学原理到工程实践

三重周期极小曲面是一类特殊的几何结构，其特征是在给定边界条件下形成最小可能的表面积。这种结构在自然界中反复出现，从生物组织的细胞骨架到无机晶体的纳米孔道，都遵循着这一数学规律。爱达荷国家实验室的研究员尼古拉斯·伍尔斯滕霍尔姆及其团队认识到，这种天然的几何效率可以直接应用于核燃料设计。

INFLUX 燃料引导冷却液流经光滑的迷宫，增强混合和热传递，而不会增加水力阻力。 国际核实验室

传统核燃料棒采用的圆柱形设计源于二十世纪中期的管壳式热交换器技术，受限于当时的制造工艺。相比之下，INFLUX设计利用复杂的晶格网络大幅增加了燃料与冷却剂的接触面积。实验室测试显示，这种结构在热传递效率方面达到了传统燃料棒的三倍左右。

威斯康星大学与爱达荷国家实验室的合作研究中，团队使用三维打印技术制造了导电模型，通过电流加热来模拟核燃料在反应堆内的实际工况。这些模型内置了温度传感器，使研究人员能够精确测量不同冷却介质条件下的热传递性能。数据表明，极小曲面结构迫使冷却剂沿着更曲折但更平滑的路径流动，在不显著增加流体阻力的情况下显著改善了热量交换。

制造这种复杂几何形状的燃料需要突破性的工艺技术。研究团队开发了结合增材制造与热等静压的混合方法，成功制备了陶瓷-金属复合材料和金属-金属复合材料的原型。热等静压技术通过在高温高压环境下施加各向同性压力，能够消除三维打印件内部的微小孔隙，提升材料的致密度和力学性能，这对于必须承受极端辐照和温度环境的核燃料至关重要。

安全性与经济性的双重提升

INFLUX设计的潜在优势不仅限于更高的功率输出。在紧急停堆情况下，这种燃料结构的高效传热能力意味着更快的冷却速度，这对事故工况下的热量管理具有重要意义。更薄的燃料层和更低的运行温度还能减少热应力累积，延长燃料的使用寿命。

从中子学角度看，晶格结构可能通过减少中子泄漏路径而带来额外收益。中子在核反应堆中扮演着引发裂变反应的核心角色，优化燃料几何形状以最大限度地利用中子，可以提高燃料的燃烧效率和整体经济性。

爱达荷国家实验室正在评估哪些类型的反应堆最适合采用这项技术。目前的研究重点集中在微型反应堆和气冷反应堆系统上。微型反应堆因其紧凑的尺寸和灵活的部署能力受到关注，而气冷系统则以更高的运行温度和更好的热效率著称。这两类反应堆都可能从INFLUX燃料的高传热性能中获益。

然而，从实验室原型到商业化应用仍面临诸多挑战。核级材料的制造必须满足极其严格的质量标准，增材制造工艺的可重复性和规模化生产能力需要进一步验证。此外，新型燃料在反应堆内的长期辐照性能、机械稳定性以及与现有反应堆系统的兼容性都需要经过大量的测试和认证。

尽管如此，INFLUX概念代表了核燃料设计思路的根本性转变。通过将自然界经过亿万年演化而成的高效几何结构与现代先进制造技术相结合，研究人员正在探索一条通往更安全、更高效核能系统的路径。随着增材制造技术的不断成熟和材料科学的持续进步，这种源于自然智慧的工程创新可能在未来的反应堆中发挥重要作用。