In un'impresa che richiede perseveranza, tecnologia leader a livello mondiale, e non poca cautela, gli scienziati hanno utilizzato intensi raggi X per ispezionare il combustibile nucleare irradiato. L'imaging, guidato da ricercatori della Purdue University e condotto presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), ha rivelato una vista 3D della struttura interna del carburante, gettando le basi per migliori progetti e modelli di combustibile nucleare.

Fino ad ora, gli esami del combustibile di uranio sono stati limitati principalmente alla microscopia di superficie oa varie tecniche di caratterizzazione utilizzando versioni fittizie che possiedono poca radioattività. Ma gli scienziati vogliono sapere a un livello più profondo come cambia il materiale quando subisce la fissione all'interno di un reattore nucleare. Le intuizioni risultanti da questo studio, che il Journal of Nuclear Materials ha pubblicato nell'agosto 2020, può portare a combustibili nucleari che funzionano in modo più efficiente e costano meno per lo sviluppo.

Per avere una visione interna del combustibile uranio-zirconio studiato, i ricercatori hanno sezionato un po' di carburante usato abbastanza piccolo da essere maneggiato in sicurezza, una capacità sviluppata solo negli ultimi sette anni. Quindi, per vedere all'interno di questo minuscolo campione metallico, si sono rivolti all'Advanced Photon Source (APS), un DOE Office of Science User Facility situato ad Argonne.

Uno studio in preparazione da decenni

Prima che i ricercatori potessero affrontare il formidabile compito di isolare un campione di carburante e posizionarlo sotto un raggio di raggi X, avevano bisogno di trovare l'esemplare giusto. Esplorare i combustibili archiviati presso l'Idaho National Laboratory (INL) del DOE, hanno identificato un combustibile uranio-zirconio che ha trascorso un totale di due anni a piena potenza nel Fast Flux Test Facility di Hanford, Washington, ed è stato rimosso dal reattore nei primi anni '90.

"Abbiamo dovuto aspettare decenni prima che questo combustibile si raffreddi o si decomponga radiologicamente, " disse Maria Okuniewski, assistente professore di ingegneria dei materiali alla Purdue University e autore principale del documento. "Era letteralmente l'esemplare più bello che potessimo rimuovere in base alle linee guida di sicurezza consentite sia dall'INL che dall'APS".

Anche il campione di combustibile esaurito più fresco disponibile era ancora troppo caldo, radiologicamente parlando, alla sua dimensione originale. Preso da un perno del carburante più grande, il campione era alto meno di un quarto di pollice, ma misurava 1, 200 millirem all'ora da una distanza di 30 centimetri, un livello di radiazione 240 volte maggiore del limite consentito all'APS.

Per ridurre la radioattività, i ricercatori hanno utilizzato un fascio di ioni focalizzato con la microscopia elettronica a scansione presso l'INL per creare un campione molto più piccolo. Lo strumento ha permesso loro di individuare un'area di interesse e distribuire un flusso di ioni che essenzialmente ha fresato un cubo di materiale. Il campione risultante era di circa 100 micron di diametro, non più grande del diametro di un capello umano.

"Abbiamo fatto molta strada con questa nuova strumentazione che ci consente di ottenere campioni abbastanza piccoli da essere sicuri e facilmente maneggiabili, " disse Okuniewski.

Il minuscolo campione è stato montato su un perno, racchiuso in un tubo a doppia parete, e inviato ad Argonne, con più controlli sulle radiazioni per garantire la sicurezza lungo il percorso.

Ad Argonne, il team di ricerca della Purdue ha lavorato con gli scienziati della linea di luce 1-ID-E, una sorgente di raggi X ad alta brillantezza presso l'APS, per esaminare il campione. L'obiettivo:vedere che aspetto ha il combustibile uranio-zirconio all'interno dopo essere stato bombardato con neutroni per due anni.

"Stiamo davvero parlando di un pezzo di polvere che puoi a malapena vedere ad occhio nudo:è così piccolo, " disse Peter Kenesei, un fisico con la divisione di scienze a raggi X di Argonne e co-autore dello studio. "Ma questo è anche materiale molto denso, quindi è necessaria un'intensità sufficiente di raggi X ad alta energia per penetrarlo e studiarlo."

La tecnica utilizzata, microtomografia computerizzata, rileva ad alta risoluzione il fascio di raggi X mentre emerge dall'altra parte del campione. Da più immagini scattate durante la rotazione del carburante, i computer potrebbero ricostruire le sue caratteristiche interne in base a come ha alterato il raggio in arrivo, simile a una TAC medica.

"La flessibilità della linea di luce 1-ID-E, insieme all'esperienza di Argonne nella manipolazione sicura dei materiali nucleari, ci permette di progettare e condurre un esperimento unico come questo, " disse Kenesei.

Un'occhiata più da vicino al rigonfiamento del carburante

In particolare, Okuniewski e i suoi colleghi erano interessati al fenomeno del gonfiore. Il combustibile nucleare genera energia prendendo un atomo di uranio e dividendolo in due, e questo processo di fissione genera sottoprodotti come il gas xeno e metalli come palladio e neodimio. Quando gli atomi si dividono e i prodotti di fissione si accumulano, il carburante aumenta di volume.

La sicurezza e la longevità di un dato combustibile nucleare dipendono dalla capacità di prevedere quanto si gonfierà. Troppo rigonfiamento può far reagire l'uranio, e possibilmente frattura, il suo strato protettivo esterno, chiamato rivestimento. Per evitare che ciò accada, gli ingegneri si affidano ai codici delle prestazioni del carburante, che sono modelli al computer che simulano vari aspetti del comportamento di un combustibile in un reattore, come la temperatura che raggiungerà e come i suoi costituenti si ridistribuiranno nello spazio.

"In ogni singolo tipo di carburante, il gonfiore è un problema, " ha detto Okuniewski. "Questi combustibili sono progettati in modo che il nucleo interno sia libero di espandersi a un livello specifico prima di toccare il rivestimento".

Oltre a fornire una più chiara, quadro localizzato della struttura del combustibile e delle diverse fasi materiali che si sono sviluppate nel tempo, lo studio presso l'APS ha rivelato l'evidenza che il rilascio di gas di fissione potrebbe continuare a verificarsi oltre le soglie ipotizzate nelle analisi precedenti. Questo tipo di dati può aiutare a rafforzare i codici sulle prestazioni del carburante, che a sua volta aiuterebbe a ridurre i costi di sviluppo del carburante, poiché simulazioni al computer affidabili possono ridurre al minimo il numero di costosi test di irraggiamento necessari.

"Cerchiamo sempre all'interno della comunità nucleare di trovare modi per migliorare i codici delle prestazioni del carburante, " ha detto Okuniewski. "Questo è un modo per farlo. Ora abbiamo una visione tridimensionale che prima non avevamo affatto".