Gli scienziati di Argonne hanno scoperto un nuovo modo per rivestire i materiali nucleari che supporta gli sforzi per ridurre al minimo l'uso di uranio altamente arricchito.

All'interno di un reattore nucleare funzionante, l'ambiente è estremo, poiché i componenti del reattore sono esposti a una combinazione di radiazioni intense e calore, nonché a refrigerante chimicamente reattivo. Ecco perchè, per far funzionare i reattori in sicurezza, gli scienziati devono progettare i loro componenti con materiali in grado di resistere a queste condizioni.

I ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno fatto una scoperta fondamentale prendendo una tecnica originariamente sviluppata per l'industria dei semiconduttori e usandola come un modo per rivestire i materiali nucleari. Questa tecnica, chiamato deposizione di strati atomici (ALD), costituisce la base di nuovi metodi per proteggere i combustibili ei materiali nucleari dall'esposizione diretta all'ambiente ostile del reattore.

La deposizione di strati atomici ― come suggerisce il nome ― consente ai ricercatori di depositare pellicole atomicamente sottili di un particolare materiale su una superficie. Costruendo questi strati, Gli scienziati di Argonne possono formare rivestimenti chimicamente precisi progettati per avere una serie di proprietà particolari.

"Stiamo sperimentando l'uso di ALD per applicazioni nucleari, " ha detto Abdellatif Yacout, ingegnere nucleare di Argonne, responsabile del gruppo sviluppo e qualificazione carburanti. Argonne esperti nella tecnica, guidato da Argonne Distinguished Fellow Michael Pellin, furono strumentali in quei progressi.

I rivestimenti per combustibili supportano gli sforzi per ridurre al minimo l'uranio altamente arricchito

In una serie di esperimenti, Gli scienziati di Argonne hanno utilizzato l'ALD per depositare nitruro di zirconio (ZrN) come rivestimento direttamente su polveri di uranio-molibdeno (U-Mo) a basso arricchimento. Il rivestimento è abbastanza sottile da consentire la penetrazione dei neutroni, proteggendo il carburante dal degrado, generalmente dall'interazione con l'alluminio (Al), un costituente principale di un sistema di combustibile del reattore di ricerca.

Per studiare la stabilità del rivestimento ZrN di nuova concezione e come interagisce con l'alluminio, gli scienziati hanno eseguito numerosi studi di irradiazione ex situ utilizzando ioni pesanti (per simulare danni da frammenti di fissione) presso l'impianto Tandem Linac Accelerator System (ATLAS) di Argonne, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

Quel lavoro specifico per riprogettare i rivestimenti per i combustibili nucleari sostiene lo sforzo di convertire i reattori di ricerca ad alta potenza in tutto il mondo che utilizzano uranio ad alto arricchimento (HEU) per utilizzare combustibili a uranio a basso arricchimento (LEU), a sostegno della politica nazionale di minimizzazione dell'HEU.

Rivestimenti di rivestimento per resistere agli ambienti dei reattori

Altre due serie di esperimenti che coinvolgono l'ALD ruotano attorno ai rivestimenti, che sono materiali strutturali che incapsulano i costituenti del combustibile all'interno di un reattore nucleare.

Elevata resistenza allo sfregamento grazie a un rivestimento in nanolaminato. Questo progetto ha utilizzato ALD per progettare materiali di rivestimento che resistessero all'usura da sfregamento, un comportamento nei gruppi reattori che contribuisce all'usura meccanica. "Un modo per resistere allo sfregamento è rivestire la superficie del rivestimento per aumentarne la durezza, " Yacout ha detto. "Superfici di rivestimento modificate con un rivestimento ALD (ad esempio, ossido di alluminio [Al2O3]) e seguito da altri trattamenti, aumenta la durezza superficiale di quasi 100 volte.

Resistenza all'ossidazione ad alta temperatura. Questo progetto ruotava attorno allo sviluppo di rivestimenti per rivestimenti in modo che possano resistere meglio alle alte temperature all'interno di un reattore durante gravi condizioni di incidente. Il team ha sviluppato un materiale composito ceramico unico, che può essere fabbricato a bassa temperatura ma con una microstruttura notevolmente compatta.

Lo sviluppo di questo rivestimento composito a base di ceramica è un processo in due fasi. Si tratta di combinare la deposizione elettroforetica (EPD), un metodo di deposizione veloce e a bassa temperatura, con ALD. In questo modo, i ricercatori di Argonne sono stati in grado di creare rapidamente uno spesso rivestimento composito ceramica-ceramica che aderisce e si adatta alla superficie del rivestimento.

Il potere di una tecnica articolare

Né l'EPD né l'ALD come processo di deposizione di per sé avrebbero prodotto un rivestimento sufficiente a proteggere il rivestimento, ha detto il ricercatore di Argonne Sumit Bhattacharya. "Anche se ALD genera un pinhole-free, rivestimento denso e aderente, il tasso di deposizione è relativamente lento. Per depositare lo spessore necessario, ci vorranno giorni o anche in alcuni casi settimane, " Egli ha detto.

"Nel frattempo, se usi solo EPD, lo strato depositato è altamente poroso, e richiede una sinterizzazione ad alta temperatura per diventare denso e aderente al substrato. Questo non è l'ideale, poiché il materiale di rivestimento è sensibile alla temperatura e perderà tutte le sue proprietà meccaniche."

Un vantaggio principale dell'utilizzo delle tecniche di deposizione duale consiste nella capacità di ridurre notevolmente la temperatura necessaria per produrre un rivestimento aderente. In genere, per sviluppare un composito ceramico denso, è necessaria una fase di sinterizzazione ad alta temperatura. Però, perché il rivestimento è in metallo, la sinterizzazione tipica causerebbe la fusione o la perdita di resistenza del substrato.

"Non solo non otterrai la sinterizzazione, ma il substrato principale che stai cercando di proteggere verrà distrutto, "Bhattacharya ha spiegato.

La combinazione della tecnica EPD/ALD consente di ottenere un rivestimento aderente a una temperatura di soli 300 gradi Celsius circa, molto inferiore alla temperatura di sinterizzazione convenzionale richiesta per tali compositi.

L'utilizzo di ALD offre un altro vantaggio essenziale rispetto ad altre tecniche di deposizione, come la deposizione chimica da fase vapore (CVD). Anche se CVD deposita più rapidamente di ALD, così facendo blocca parti dei canali che dovrebbero essere riempite. Di conseguenza, lascia grandi porosità all'interno del composito. "Solo ALD può assicurarsi che siamo in grado di trattare tutti gli angoli e le fessure, " disse Bhattacharya.

Per testare come il rivestimento può resistere all'ambiente di irradiazione del reattore, i ricercatori lo hanno bombardato con ioni pesanti a varie temperature nella struttura del microscopio elettronico a voltaggio intermedio (IVEM) di Argonne. in seguito, il campione è rimasto intatto e gli scienziati non hanno riscontrato cambiamenti evidenti nella nanopolvere e nel rivestimento ALD sovrapposto.

Il lavoro di Argonne sull'ALD per le applicazioni nucleari è stato finanziato da diverse organizzazioni tra cui l'Office of Nuclear Energy del DOE, Amministrazione nazionale per la sicurezza nucleare del DOE; Westinghouse, e i fondi di ricerca e sviluppo diretti dal laboratorio di Argonne.