Skrivena mreža pora unutar nuklearnog goriva

U trenutku kada nuklearni reaktor počne s radom, unutar goriva se pokreće složeni lanac događaja, teški atomi se cijepaju na produkte fisije, izbacujući druge atome s mjesta i stvarajući defekte koji mogu promijeniti način na koji gorivo bubri, prenosi toplinu i kemijski reagira tijekom vremena.

Razumijevanje tih procesa ključno je za razumijevanje koliko će nuklearni reaktor biti siguran i učinkovit. Ali čak i za neke od najproučavanijih vrsta goriva, mehanizmi koji kontroliraju te procese nisu jasni.

Takav je slučaj s određenom vrstom metalnog goriva, uranijem legiranim s 10 posto cirkonija po težini, poznatim i kao U-10Zr. Ovo gorivo je opsežno testirano u povijesnim brzim reaktorima hlađenim natrijem kao što su Experimental Breeder Reactor-II (EBR-II) u Idahu i Fast Flux Testing Facility (FFTF) u državi Washington, pomažući u uspostavljanju temelja za razvoj metalnog goriva u SAD-u. Danas U-10Zr ponovno privlači pozornost zbog upotrebe u naprednim reaktorima sljedeće generacije.

No većina studija U-10Zr provedena je prije nekoliko desetljeća, ostavljajući neodgovorena pitanja o tome kako se točno gorivo mijenja kada prolazi kroz nuklearnu fisiju u reaktoru i kako stupa u interakciju sa zaštitnom oblogom goriva koja ga okružuje.

Sada su, zajedno s Nacionalnim laboratorijem Idaho (INL), istraživači MIT-a proveli jednu od najdetaljnijih trodimenzionalnih studija ozračenog U-10Zr do danas, koja je objavljena u časopisu Science Direct.

Istraživači su koristili tehniku ​​poznatu kao visokoenergetska sinkrotronska rendgenska računalna tomografija u Nacionalnom laboratoriju Brookhaven (BNL) u New Yorku kako bi analizirali mreže pora i kemijske promjene koje su nastale pod ozračivanjem tijekom upotrebe unutar FFTF reaktora, pružajući nove uvide u to kako materijal bubri, prenosi toplinu i interagira s ogrjevnom oblogom.

Nalazi bi mogli pomoći u duljem radu nekih nuklearnih reaktora, a istovremeno bi mogli informirati sljedeću generaciju sustava goriva za nuklearne reaktore.

„Ova studija nam pomaže da preciznije modeliramo raspodjelu pora u gorivu“, kaže glavni autor Ericmoore Jossou, profesor nuklearne znanosti i inženjerstva na MIT-u (1986.). Također nam pomaže u dizajniranju sigurnog rada metalnih goriva u reaktorima tako što nam daje bolje razumijevanje uloge pora i njihove važnosti.“

Klasa nuklearnih reaktora poznatih kao brzi reaktori hlađeni natrijem generira energiju iz šipki metalnih goriva koje su zatvorene unutar metalnih cijevi koje se nazivaju plašt. U svakoj šipki toplina se općenito kreće od središta prema rubu, a zatim prema plaštu, gdje tekući natrij odnosi toplinu kako bi se pretvorila u energiju.

Studije prethodno ozračenog goriva i njegove omotače zabilježile su uglavnom dvodimenzionalne snimke, što znanstvenicima onemogućuje da vide punu veličinu mreža pora koje utječu na prijenos topline i transport materijala poput lantanoida. Prethodne studije također su se uglavnom usredotočile na specifične dijelove sustava goriva, kao što su središte goriva ili spoj omotača goriva.

Za svoju studiju, istraživači s MIT-a koristili su uzorke goriva iz reaktora Fast Flux Testing Facility, natrijem hlađenog reaktora brzih neutrona smještenog u državi Washington koji je radio od 1982. do 1992. godine.

Nacionalni laboratorij u Idahu upravljao je uzorcima i pripremao ih. Tim je proučavao pripremljene uzorke pomoću visokoenergetske sinkrotronske rendgenske tomografije u Nacionalnom laboratoriju Brookhaven. Sinkrotron je generirao visokoenergetske rendgenske zrake koje su istraživačima omogućile rekonstrukciju unutarnjih mreža pora goriva u tri dimenzije, otkrivajući kako se poroznost, kemija i interakcije goriva i omotača razvijaju duž radijusa goriva.

Istraživači su otkrili da se poroznost blago povećava od središta goriva prema rubu goriva, ali gustoća pora je skočila za više od dva reda veličine na rubu goriva zbog obloge. Istraživači su također karakterizirali veličinu i oblik pora, pronašavši male pore u središtu koje se pretvaraju u veće mreže pora usmjerene prema rubu.

Mreže pora prema rubu omogućuju kretanje produkata fisije i lantanida, ali usporavaju prijenos topline, što utječe na performanse i vijek trajanja goriva. Istraživači su također mapirali svoje mikrostrukturne nalaze s promjenama u kemiji goriva u različitim područjima.

Eksperimentalni nalazi razlikovali su se od nekih modela o tome kako se pore formiraju i kako gorivni sustav bubri, što bi moglo poboljšati simulacije kako bi se reaktori dulje održavali u radu. Također daju nijansiraniju sliku o tome kako pore utječu na performanse i sigurnost reaktora.

Nalazi bi se također mogli koristiti za projektiranje boljih sustava goriva za sljedeću generaciju brzih natrijevih reaktora.