C'è molto da imparare su cosa succede quando si verifica la fissione all'interno del combustibile nucleare. I ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) stanno fornendo alcune nuove informazioni su questo processo, senza esporsi alla sfida o ai pericoli del lavoro con materiali radioattivi.
Attraverso la Nuclear Process Science Initiative (NPSI) del PNNL, i ricercatori hanno utilizzato un materiale surrogato non radioattivo, ossido di cerio, è molto simile al combustibile di ossido di uranio usato nei reattori nucleari. L'obiettivo era comprendere e prevedere la formazione e la crescita di particelle metalliche nel combustibile nucleare irraggiato utilizzando il surrogato drogato con cinque metalli. Il team ha utilizzato microscopi avanzati per caratterizzare la precipitazione delle particelle in situ durante il trattamento termico e l'irradiazione ionica.
"Studi simili non sono stati fatti prima, " dice lo scienziato dei materiali Weilin Jiang. La sperimentazione e i risultati sono stati riportati nel documento, "Studio in situ della precipitazione di particelle in CeO2 drogato con metalli durante il trattamento termico e l'irradiazione ionica per l'emulazione di combustibili irradianti, " pubblicato l'8 gennaio 2019, edizione di The Journal of Physical Chemistry C .
Portare il calore
Nel descrivere la progressione del riscaldamento dell'ossido di cerio, Jiang osserva che nell'intervallo da 800 a 1, 000 gradi Celsius (C)—o 1, 472 a 1, 832 gradi Fahrenheit (F):i ricercatori hanno osservato la precipitazione di minuscole particelle metalliche, o formando. All'aumentare della temperatura, apparve un numero maggiore di particelle di dimensioni simili. "Quindi, a 1, 100 gradi C (2, 012 gradi F), la dimensione delle particelle è aumentata drasticamente, da pochi nanometri a circa 75 nanometri e le particelle di grandi dimensioni avevano sfaccettature visibili, "Spiega Jiang.
I risultati sperimentali si riferiscono a un gradiente di temperatura all'interno di un pellet di combustibile, ovvero, la zona ad alta temperatura al centro crea particelle più grandi rispetto alle regioni relativamente più fredde nelle aree esterne. I ricercatori hanno scoperto che le particelle nell'ossido di cerio erano dominate dal molibdeno, che potrebbe essere correlato alle mobilità e alle concentrazioni delle singole specie metalliche.
Quando Jiang e i suoi colleghi hanno esaminato il campione di ossido di cerio trattato termicamente dopo che era stato conservato in condizioni ambientali, hanno inoltre osservato che uno strato di ossido si era formato su particelle collegate a nanotubi di ossido. Dice che il team non è stato in grado di trarre conclusioni sull'osservazione, ma spero di esplorare il fenomeno in futuro.
Jiang afferma che questi risultati e altri risultati forniscono nuove conoscenze che possono essere applicate alla valutazione del cambiamento e delle prestazioni della struttura del combustibile nucleare. Aggiunge che mentre i reattori sono in funzione da decenni, non si sa molto su come si formino esattamente le particelle metalliche nel combustibile durante la fissione, sebbene sia noto che precipitati e difetti possono avere un impatto negativo sulle prestazioni del combustibile. Nuove conoscenze sulla formazione delle particelle potrebbero rendere possibile creare progetti di combustibili più efficienti e forse sviluppare nuovi materiali per applicazioni correlate.
Collaborazione e strumenti unici alla base dell'esperimento
La ricerca ha incluso la collaborazione con un team dei Sandia National Laboratories (SNL) e l'uso della capacità di microscopia elettronica a trasmissione di irradiazione ionica in situ di SNL. Al PNNL, i ricercatori hanno avuto accesso a un microscopio unico nel laboratorio di scienza e tecnologia dei materiali che ha consentito la microscopia elettronica a trasmissione a scansione e la mappatura degli elementi basata sulla spettroscopia a dispersione di energia ad alta sensibilità (EDS). Più specificamente, l'EDS ha permesso di identificare gli elementi chimici e di individuare le loro posizioni nell'ossido di cerio.
Quando il documento di ricerca completato è stato accettato per la pubblicazione in The Journal of Physical Chemistry C , Jiang e i suoi colleghi sono stati invitati a presentare una copertina che rappresentasse l'opera, che è stato creato dal graphic designer PNNL Nathan Johnson.
La ricerca è stata una componente di un triennio, Progetto finanziato dall'NPSI, "Impianto ionico e caratterizzazione della formazione della fase metallica di Epsilon in Ceria". Il progetto si è concentrato su nuovi approcci per comprendere gli effetti delle radiazioni nel combustibile irradiato, riducendo i rischi dovuti ai costi elevati, lungo tempo di esperimento, e problemi radiologici.
