Forskere studerer radioaktivt materiales adfærd - uden radioaktiviteten

Der er meget at lære om, hvad der sker, når der sker fission inde i nukleart brændsel. Forskere ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) giver nogle nye indsigter i den proces - uden at udsætte sig selv for udfordringen eller farerne ved at arbejde med radioaktive materialer.

Gennem PNNL's Nuclear Process Science Initiative (NPSI), forskerne brugte et ikke-radioaktivt surrogatmateriale, ceriumoxid, det er meget lig det uranoxidbrændstof, der bruges i atomreaktorer. Målet var at forstå og forudsige dannelsen og væksten af ​​metalliske partikler i bestrålet nukleart brændsel ved hjælp af surrogatet dopet med fem metaller. Holdet brugte avancerede mikroskoper til at karakterisere partikeludfældning in situ under termisk behandling og ionbestråling.

"Lignende undersøgelser er ikke blevet lavet før, " siger materialeforsker Weilin Jiang. Forsøgene og resultaterne blev beskrevet i avisen, "In situ undersøgelse af partikeludfældning i metaldoteret CeO2 under termisk behandling og ionbestråling til emulering af bestrålende brændstoffer, " offentliggjort i januar 8, 2019, udgave af The Journal of Physical Chemistry C .

Bringe varmen

Ved beskrivelse af opvarmningsforløbet af ceriumoxidet, Jiang bemærker, at i området fra 800 til 1, 000 grader Celsius (C) – eller 1, 472 til 1, 832 grader Fahrenheit (F) - forskere observerede små metalpartikler, der udfældede, eller formning. Efterhånden som temperaturen steg, større antal partikler af samme størrelse dukkede op. "Derefter, kl 1, 100 grader C (2, 012 grader F), størrelsen af ​​partiklerne steg dramatisk, fra nogle få nanometer til omkring 75 nanometer - og store partikler havde synlige facetter, " forklarer Jiang.

De eksperimentelle resultater relaterer sig til en temperaturgradient i en brændstofpellet - dvs. højtemperaturzonen i midten skaber større partikler end relativt køligere områder i yderområderne. Forskere fandt ud af, at partikler i ceriumoxidet var molybdændomineret, som kunne relateres til de enkelte metalliske arters mobiliteter og koncentrationer.

Da Jiang og hans kolleger så på den varmebehandlede ceriumoxidprøve, efter at den var blevet opbevaret under omgivende forhold, de observerede endvidere, at der var dannet et oxidlag på partikler forbundet med oxidnanorods. Han siger, at holdet ikke var i stand til at drage nogen konklusioner om observationen, men håber at udforske fænomenet i fremtiden.

Jiang siger, at disse resultater og andre resultater giver ny viden, der kan anvendes til vurdering af ændring af nukleart brændselsstruktur og ydeevne. Han tilføjer, at mens reaktorer har fungeret i årtier, meget vides ikke om præcis, hvordan metalpartikler dannes i brændstoffet under fission - selvom det er kendt, at udfældninger og defekter kan påvirke brændstoffets ydeevne negativt. Ny viden om partikeldannelse kan gøre det muligt at skabe mere effektive brændstofdesigns og måske udvikle nye materialer til relaterede anvendelser.

Samarbejde og unikke instrumenter understøtter eksperimentet

Forskningen omfattede samarbejde med et team ved Sandia National Laboratories (SNL) og brug af SNL's in situ ionbestrålingstransmissionselektronmikroskopi. Hos PNNL, forskere fik adgang til et unikt mikroskop i Materials Science and Technology Laboratory, der muliggjorde scanningstransmissionselektronmikroskopi og elementær kortlægning baseret på højfølsom energidispersiv spektroskopi (EDS). Mere specifikt, EDS gjorde det muligt at identificere kemiske grundstoffer og lokalisere deres placering i ceriumoxidet.

Da det færdige forskningspapir blev accepteret til offentliggørelse i The Journal of Physical Chemistry C , Jiang og hans kolleger blev inviteret til at indsende cover art, der repræsenterer værket, som blev skabt af PNNL grafisk designer Nathan Johnson.

Forskningen var en del af en treårig, NPSI-finansieret projekt, "Ionimplantation og karakterisering af Epsilon-metalfasedannelse i Ceria." Projektet fokuserede på nye tilgange til at forstå strålingseffekter i bestrålet brændsel, samtidig med at risici reduceres på grund af høje omkostninger, lang eksperimenttid, og radiologiske problemer.