Il laboratorio di elaborazione radiochimica del PNNL ospita un microscopio elettronico a trasmissione a scansione JEOL GrandARM-300F, qui gestito dallo scienziato dei materiali Steven Spurgeon. Questa struttura specializzata consente una caratterizzazione su scala atomica senza precedenti di materiali nucleari, leghe strutturali, e sistemi funzionali in condizioni dinamiche. RPL è un impianto di ricerca nucleare non reattore di categoria di pericolo II. Credito:Andrea Starr | PNNL
I potenti strumenti e le tecniche di risoluzione atomica del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) stanno rivelando nuove informazioni sull'interazione del biossido di uranio (UO2) con l'acqua. Queste nuove intuizioni miglioreranno la comprensione di come il combustibile nucleare esaurito si degraderà negli ambienti dei depositi geologici profondi.
L'UO2 è la principale forma di combustibile utilizzata nei reattori nucleari commerciali. Durante la fissione nucleare in un reattore, vari radionuclidi vengono creati all'interno del combustibile. I ricercatori vogliono saperne di più sull'UO2, in particolare i meccanismi di dissoluzione che entrano in gioco quando la superficie del materiale ceramico viene a contatto con l'acqua. Questi meccanismi controllano il rilascio della maggior parte dei radionuclidi, che potrebbero avere ripercussioni sull'ambiente.
Molti strumenti di laboratorio oggi mancano della sensibilità, risoluzione, e controlli radiologici necessari per esplorare efficacemente le superfici dell'UO2. Però, una suite di strumentazione unica al PNNL ha recentemente consentito a un team di ricerca multi-istituto di esaminare più da vicino le aree superficiali. Il gruppo, in rappresentanza dell'Università di Cambridge, il Centro comune di ricerca della Commissione europea, e PNNL, scoperte rivelazioni chiave per l'energia nucleare.
Smaltimento geologico e sfide scientifiche
I concetti di depositi geologici profondi proposti in tutto il mondo si concentrano sulla zona satura, dove l'acqua si sta riducendo, il che può eventualmente portare a una perdita di ossigeno, e dove l'UO2 è termodinamicamente stabile. La sfida rimane sviluppare un approccio per esaminare l'UO2 con una risoluzione chimica e una fedeltà sufficienti per prevedere come potrebbe comportarsi in questi ambienti.
L'imaging ad alta risoluzione rivela la formazione di difetti durante la dissoluzione anossica dei film sottili di UO2. Credito:Steven Spurgeon | PNNL
"Stiamo solo ora sviluppando gli strumenti di cui abbiamo bisogno per rispondere a domande di vecchia data sui materiali nucleari, " spiega lo scienziato dei materiali PNNL Edgar Buck.
Nuove tecniche producono nuove informazioni
Nello studio, i ricercatori dell'Università di Cambridge hanno collaborato con gli scienziati del PNNL per esplorare campioni di UO2 esposti a corrosione anossica controllata utilizzando la strumentazione di punta del PNNL nella suite di microscopia radiologica del laboratorio di elaborazione radiochimica. Chiamata anche la "suite tranquilla, " questa stanza sotterranea ospita il microscopio elettronico a scansione a trasmissione (STEM) JEOL GrandARM 300F. Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione corretta per l'aberrazione e la spettroscopia elettronica a perdita di energia (EELS), il team ha esaminato la progressione della struttura atomistica e dei difetti.
Il team del PNNL ha precedentemente dimostrato che EELS può mappare percorsi di non equilibrio per l'ossidazione nell'UO2 che sono difficili da sondare utilizzando altri metodi.
"Il nostro approccio fornisce informazioni dirette su scala atomica per migliorare i nostri modelli per la dissoluzione, " spiega lo scienziato dei materiali PNNL Steven Spurgeon. A sua volta, modelli migliori possono aiutare a rendere più accurati, previsioni a lungo termine sul destino del combustibile nucleare esaurito in condizioni di smaltimento anossico.
La scienziata dei materiali Bethany Matthews utilizza il microscopio elettronico a scansione di fascio ionico (FIB-SEM) Thermo Fisher Helios 660 DualBeam™ Focus nell'RPL di PNNL per la preparazione e l'analisi di campioni radioattivi e non radioattivi, inclusi metalli, ossidi, e materiali geologici. Credito:Andrea Starr | PNNL
Gli strumenti informano le domande di scioglimento
Nel loro studio, i ricercatori hanno determinato che la dissoluzione inizia ai bordi dei grani della superficie del materiale e alle crepe del film. È importante sottolineare che non hanno osservato alcuna formazione di strato superficiale amorfo o, nessuna perdita della sua struttura cristallina durante il processo di dissoluzione. Ciò indica un processo diverso per la sostituzione dell'ossigeno. Piuttosto, la sostituzione dell'ossigeno avviene nei siti negli strati superficiali del reticolo UO2. Questo meccanismo di sostituzione sembra creare uno strato passivante ossidato, che sarebbe responsabile della riduzione osservata del rilascio di uranio in funzione del tempo di lisciviazione.
"La collaborazione con PNNL ci ha fornito strumenti unici per scoprire un comportamento che sarebbe inaccessibile con altri mezzi, ", afferma il co-autore Prof. Ian Farnan di Cambridge. "Attraverso la nostra esperienza condivisa, siamo stati in grado di mostrare come sottili cambiamenti nella chimica superficiale del combustibile nucleare usato possono controllare la sua dissoluzione e il rilascio di elementi radioattivi nell'ambiente, un requisito fondamentale per uno smaltimento sicuro".
I risultati dello studio sono riportati nel documento del team, "Una comprensione su scala atomica dell'evoluzione superficiale dell'UO2 durante la dissoluzione anossica, " pubblicato in Materiali e interfacce applicati ACS .
