Forskere får et hidtil uset syn på bestrålet atombrændstof

I en bedrift, der kræver udholdenhed, verdens førende teknologi, og ikke en lille smule forsigtighed, forskere har brugt intense røntgenstråler til at inspicere bestrålet atombrændstof. Billeddannelsen, ledet af forskere ved Purdue University og udført ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, afslørede et 3D-billede af brændstofets indre struktur, lægger grunden til bedre design og modeller af nukleart brændstof.

Indtil nu, undersøgelser af uranbrændstof har været begrænset til for det meste overflademikroskopi eller til forskellige karakteriseringsteknikker ved hjælp af mock -versioner, der besidder ringe radioaktivitet. Men forskere vil gerne vide på et dybere niveau, hvordan materialet ændrer sig, da det gennemgår fission inde i en atomreaktor. Den resulterende indsigt fra denne undersøgelse, som Journal of Nuclear Materials udgav i august 2020, kan føre til atombrændstoffer, der fungerer mere effektivt og koster mindre at udvikle.

For at få en indvendig visning af uran-zirconiumbrændstoffet undersøgt, forskerne udskilt en smule brugt brændstof, der var lille nok til at kunne håndteres sikkert - en kapacitet, der kun er udviklet inden for de sidste syv år. Derefter, at se inde i denne lille metalliske prøve, de vendte sig til Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science User Facility beliggende i Argonne.

En undersøgelse årtier undervejs

Inden forskerne kunne nærme sig den formidable opgave at isolere en brændstofprøve og placere den under en røntgenstråle, de havde brug for at finde den rigtige prøve. Udforskning af brændstoffer arkiveret ved DOE's Idaho National Laboratory (INL), de identificerede et uran-zirkoniumbrændstof, der brugte i alt to år på fuld effekt i Fast Flux Test Facility i Hanford, Washington, og blev fjernet fra reaktoren i begyndelsen af ​​1990'erne.

"Vi måtte vente årtier på, at dette brændstof radiologisk kunne afkøle eller henfalde, "sagde Maria Okuniewski, adjunkt i materialeteknik ved Purdue University og papirets hovedforfatter. "Det var bogstaveligt talt den sejeste prøve, som vi kunne fjerne baseret på de tilladte sikkerhedsretningslinjer på både INL og APS."

Selv den sejeste tilgængelige brugte brændstofprøve var stadig for varm, radiologisk set, i sin oprindelige størrelse. Taget fra en større brændstofnål, prøven var mindre end en kvart tomme høj, men den målte 1, 200 millirem i timen fra en afstand på 30 centimeter - et strålingsniveau 240 gange større end den tilladte grænse ved APS.

For at reducere radioaktiviteten, forskerne brugte en fokuseret ionstråle med scanningselektronmikroskopi ved INL til at lave en meget mindre prøve. Værktøjet tillod dem at lokalisere et interesseområde og implementere en strøm af ioner, der i det væsentlige fræsede en terning af materiale. Den resulterende prøve var omtrent 100 mikron på tværs, ikke større end diameteren på et menneskehår.

"Vi er nået langt med denne nye instrumentering, der giver os mulighed for at få prøver, der er små nok til at være sikre og lette at håndtere, "sagde Okuniewski.

Den lille prøve blev monteret på en nål, indkapslet i et dobbeltvægget rør, og sendt til Argonne, med flere strålekontroller for at sikre sikkerheden undervejs.

I Argonne, Purdue-forskerteamet arbejdede med forskere på beamline 1-ID-E, en røntgenkilde med stor glans på APS, at undersøge prøven. Målet:At se, hvordan uran-zirkoniumbrændstof ser ud på indersiden, efter at det har været bombarderet med neutroner i to år.

"Vi taler virkelig om et stykke støv, som du næsten ikke kan se med det blotte øje - det er så lille, "sagde Peter Kenesei, en fysiker med Argonnes røntgenvidenskabelige afdeling og studieforfatter. "Men dette er også meget tæt materiale, så du har brug for en tilstrækkelig intensitet af højenergirøntgenstråler til at trænge igennem og studere det. "

Den anvendte teknik, mikro-computertomografi, detekterer ved høj opløsning røntgenstrålen, når den kommer frem på den anden side af prøven. Fra flere billeder taget, mens brændstoffet blev roteret, computere kunne rekonstruere sine interne funktioner baseret på, hvordan det ændrede den indgående stråle, ligner en medicinsk CT -scanning.

"1-ID-E beamlines fleksibilitet, sammen med Argonnes ekspertise i sikker håndtering af nukleare materialer, giver os mulighed for at designe og gennemføre et unikt eksperiment som dette, "Sagde Kenesei.

Se nærmere på brændstofs hævelse

I særdeleshed, Okuniewski og hendes kolleger var interesserede i fænomenet hævelse. Atombrændstof genererer energi ved at tage et uranatom og dele det i to, og denne fissionsproces genererer biprodukter såsom gasxenon og metaller som palladium og neodym. Efterhånden som atomer splittes og fissionsprodukter ophobes, brændstoffet vokser i volumen.

Sikkerheden og levetiden for et givet atombrændstof afhænger af at kunne forudsige, hvor meget det vil svulme op. For meget hævelse kan få uran til at reagere med, og muligvis brud, dets beskyttende ydre lag, kaldes en beklædning. For at forhindre det i at ske, ingeniører er afhængige af brændstofkoder, som er computermodeller, der simulerer forskellige aspekter af et brændsels adfærd i en reaktor, såsom hvor varm den bliver i temperatur, og hvordan dens bestanddele omfordeler i rummet.

"I hver enkelt brændstoftype, hævelse er et problem, "Okuniewski sagde." Disse brændstoffer er designet, så den indre kerne frit kan ekspandere til et specifikt niveau, før den rører beklædningen. "

Udover at give en klarere, lokaliseret billede af brændstofstrukturen og de forskellige materialefaser, der udviklede sig over tid, undersøgelsen på APS afslørede beviser for, at frigivelse af fissionsgasser fortsat kan forekomme ud over de tærskler, der var antaget i tidligere analyser. Denne type data kan hjælpe med at styrke brændstofpræstationskoder, hvilket igen ville bidrage til at sænke omkostningerne ved brændstofudvikling, da pålidelige computersimuleringer kan minimere antallet af dyre bestrålingstests, der er nødvendige.

"Vi stræber altid inden for atomkraftsamfundet for at finde ud af, hvordan vi kan forbedre brændstofpræstationskoderne, "Sagde Okuniewski." Dette er en måde at gøre det på. Nu har vi tredimensionel indsigt, som vi tidligere slet ikke havde. "