Forskere opdager et spor i sagen om det forsvundne sølv

Nogle kommer til Idaho for at rejse på motorvejene, der fører til Tetons, til Yellowstone, til små byer og store eventyr. Idaho National Laboratory-forsker Isabella van Rooyen kom, hele vejen fra Sydafrika, leder efter et stykke sølv 500, 000 gange mindre end et valmuefrø.

Sølvet var et sted inde i bestrålede tristrukturelle isotopiske (TRISO) brændstofpartikler - en sikrere, mere effektivt, næste generation af atombrændsel - det pågældende "valmuefrø". Bryd en TRISO-brændstofpartikel op, og den ligner en kæbeknuser på indersiden. En ydre skal af kulstof belægger et lag siliciumcarbid, som belægger urancentret, hvor den energifrigivende fission sker. Disse lag er beregnet til at indeholde de radioaktive produkter fra fission, som inkluderer små stykker sølv. Indeslutning af det radioaktive materiale er indbygget direkte i selve brændstoffet.

Men det fungerer ikke altid perfekt. Lejlighedsvis, i kun én eller to ud af 100 partikler, sølv undslipper midten. Den bevæger sig rundt om partiklen, og kommer muligvis ud. Siden 1970'erne, videnskabsmænd har undret sig over præcis, hvordan dette sker.

"Jeg synes, det er helt fascinerende, " sagde Van Rooyen. Hun har studeret TRISO-sølvproblemet siden 2006. "Jeg har en naturlig tendens til at vide, hvad der foregår [inde i brændstoffet]."

Og det kræver en sjette videnskabsorienteret sans:Sølvet ser ud til at hoppe over siliciumcarbidlaget som ved et trylleslag. Der er ikke noget åbenlyst udgangspunkt, eller tvangsmæssigt sølvformet hul, at blive fundet. Transportmekanismen, der bringer den indefra og ud, er et mysterium, der strækker sig over årtier. Det er en rynke i planen at gøre TRISO til den mest effektive, og potentielt den sikreste, fremtidens brændstof.

I Sydafrika, Van Rooyen arbejdede på en række hypoteser for TRISO-problemet. For eksempel, kom den tilbage fra TRISO-brændstofpartiklen, der var fastgjort til et andet element? Opstod der næsten for små til at se nanorør i siliciumcarbidlaget?

En mulighed forekom mest sandsynlig for Van Rooyen. Men for at teste det, for overhovedet at begynde at se, om det var korrekt, hun havde brug for at kunne se nærmere. Og hun havde brug for bestrålet TRISO-brændstof.

Veje mindre befærdede

Der er veje i Idaho, som vil tage dig på lange ture til søer og bjerge. Men det var en anden type vej, som Van Rooyen kom her for at rejse. Nanoroads beskriver de netværk, hvor hvert lag af TRISO-partiklen møder det næste, og hvor kornene, der udgør lagene, selv flugter med hinanden. Det er de veje, som Van Rooyen kom for at rejse.

Kan nanovejene være sølvbundfaldets vej ud af TRISO-brændstofpartiklen? De tilbyder en vej med mindre modstand, et punkt med potentiel svaghed i siliciumcarbiden. Det første skridt ville være at se, om der kunne findes sølv langs disse veje.

Van Rooyens undersøgelsesmetode var et scanningstransmissionselektronmikroskop drevet af Yaqio Wu, en forskningslektor ved Boise State University og instrumentleder i Materials and Characterization Suite ved Center for Advanced Energy Studies. Et sted langs en af ​​nanoroad-korngrænserne, Van Rooyen og Wu, sammen med materialeingeniør Tom Lillo, måske kunne spotte sølvbundfaldet.

"Vi var virkelig ligesom private efterforskere, " sagde Van Rooyen. Sølvets tilstedeværelse på nanovejene - hvis det var der, det var - ville være et fingerpeg i mysteriet.

Efter et års tålmodighed og administrativt arbejde, hun fik endelig fingrene i virkeligheden, bestrålede prøver.

Eureka øjeblik

Ved en forskningsbriefing om morgenen modtog holdet prøverne, de diskuterede, at de ledte efter en nål i en høstak. For en, sølvstykkerne var så små. Og ikke alle TRISO-partikler udsender sølv. Ville der overhovedet være sølv i den specifikke prøve, de så på?

Men det, der kom den eftermiddag, var et af de sjældne eureka-øjeblikke - en opdagelse, der ser ud til at blive til på et øjeblik.

Efter år med at udforske og kassere forskellige hypoteser om placeringen af ​​sølv, Van Rooyen og hendes team placerede den bestrålede TRISO-partikel under elektronmikroskopet. Dette ville være det nærmeste, mest omhyggelige kig på nanovejene i bestrålet TRISO nogensinde.

Samme eftermiddag, mikroskopoperatøren Wu zoomede ind, og de fandt sølvbundfaldet. Det blev kilet fast i skæringspunktet mellem to lag TRISO-belægning, ved nanovejene mellem korn.

Det var "et absolut wow-øjeblik, " sagde Van Rooyen. "Vi skabte sådan en tumult, at folk fra andre laboratorier kom for at se."

Rejsen er langt fra slut. Næste, Van Rooyen and her team will observe the silver to see how far it moves through the silicon carbide and try to determine exactly how it is able to get out. Time and hard work will tell if the nanoroads hypothesis is correct.

For Van Rooyen, the search for the silver is just the beginning. This new section of the problem is the next adventure. "This is where the fun starts, " hun sagde.