Argonne -opdagelsen tilbyder en ny måde at belægge nukleare materialer på

Argonne-forskere har opdaget en ny måde at belægge nukleare materialer på, der understøtter bestræbelser på at minimere brugen af ​​højt beriget uran.

Inde i en fungerende atomreaktor, miljøet er ekstremt, som reaktorkomponenter udsættes for en kombination af intens stråling og varme samt kemisk reaktivt kølevæske. Derfor, for at betjene reaktorer sikkert, forskere skal designe deres komponenter med materialer, der kan modstå disse forhold.

Forskere ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har gjort en afgørende opdagelse ved at tage en teknik, der oprindeligt blev udviklet til halvlederindustrien og bruge den som en måde at belægge nukleare materialer på. Denne teknik, kaldet atomlagdeponering (ALD), danner grundlag for nye metoder til at beskytte atombrændstoffer og materialer mod direkte eksponering for reaktorens fjendtlige miljø.

Atomlagsaflejring - som navnet antyder - gør det muligt for forskere at deponere atomisk tynde film af et bestemt materiale på en overflade. Ved at opbygge disse lag, Argonne -forskere kan danne kemisk præcise belægninger designet til at have et sæt særlige egenskaber.

"Vi er banebrydende i brugen af ​​ALD til nukleare applikationer, "sagde Argonne atomingeniør Abdellatif Yacout, leder af brændstofudviklings- og kvalifikationsgruppen. Argonne -eksperter i teknikken, ledet af Argonne Distinguished Fellow Michael Pellin, var medvirkende til disse fremskridt.

Brændstofbelægninger understøtter bestræbelser på at minimere højt beriget uran

I et sæt eksperimenter, Argonne-forskere har brugt ALD til at deponere zirconiumnitrid (ZrN) som en belægning direkte over lavberiget uran-molybdæn (U-Mo) pulver. Belægningen er tynd nok til at tillade neutroner at trænge igennem, samtidig med at brændstoffet beskyttes mod nedbrydning, generelt fra interaktion med aluminium (Al), en vigtig bestanddel af et forskningsreaktorbrændstofsystem.

For at undersøge stabiliteten af ​​den nyudviklede ZrN -belægning, og hvordan den interagerer med aluminium, forskere udførte flere ex situ bestrålingsundersøgelser ved hjælp af tunge ioner (for at simulere skader fra fissionsfragmenter) på Argonnes Tandem Linac Accelerator System (ATLAS) facilitet, en DOE Office of Science brugerfacilitet.

Det specifikke arbejde med at redesigne belægninger til atombrændstoffer understøtter bestræbelserne på at konvertere højeffektive forskningsreaktorer rundt om i verden, der bruger højt beriget uran (HEU) til at bruge lavberiget uran (LEU) brændstoffer, til støtte for den nationale politik for HEU -minimering.

Coating beklædninger til at holde op til reaktor miljøer

To andre sæt forsøg med ALD drejer sig om beklædninger, som er strukturelle materialer, der indkapsler brændstofbestanddelene inde i en atomreaktor.

Høj gnidningsmodstand fra en nano-laminat belægning. Dette projekt brugte ALD til at designe beklædningsmaterialer, der ville modstå slid, en adfærd i reaktorsamlinger, der bidrager til mekanisk slid. "En måde at modstå fretting på er at belægge overfladen af ​​beklædningen for at øge dens hårdhed, "Sagde Yacout." Beklædningsflader modificeret med en ALD -belægning (f.eks. aluminiumoxid [Al2O3]) og efterfulgt af andre behandlinger, øger overfladens hårdhed med næsten 100 gange.

Høj temperatur oxidationsmodstand. Dette projekt kredsede om at udvikle belægning til beklædninger, så de bedre kan modstå de høje temperaturer inde i en reaktor under alvorlige uheldsforhold. Teamet udviklede et unikt keramisk kompositmateriale, som kan fremstilles ved lav temperatur, men med en betydeligt kompakt mikrostruktur.

At udvikle denne keramikbaserede kompositbelægning er en totrinsproces. Det indebærer at kombinere elektroforetisk aflejring (EPD), en hurtig og lav temperatur deponeringsmetode, med ALD. På denne måde, Argonne-forskerne var i stand til hurtigt at skabe en tyk keramisk-keramisk kompositbelægning, der både klæber og tilpasser sig beklædningsoverfladen.

Kraften ved en fælles teknik

Hverken EPD eller ALD som en aflejringsproces i sig selv ville have givet en belægning, der var tilstrækkelig til at beskytte beklædningen, sagde Argonne -forsker Sumit Bhattacharya. "Selvom ALD genererer et hul uden huller, tæt og vedhæftende belægning, aflejringshastigheden er relativt langsom. For at deponere den tykkelse, du har brug for, det vil tage dage eller endda i nogle tilfælde uger, " han sagde.

"I mellemtiden hvis du kun bruger EPD, det aflejrede lag er meget porøst, og kræver, at sintring ved høj temperatur bliver tæt og klæber til substratet. Dette er ikke ideelt, da beklædningsmaterialet er temperaturfølsomt, og det vil miste alle sine mekaniske egenskaber. "

En væsentlig fordel ved at anvende dobbeltaflejringsteknikkerne består i evnen til i høj grad at reducere den temperatur, der er nødvendig for at producere en vedhæftende belægning. Generelt, at udvikle en tæt keramisk komposit, et sintringstrin ved høj temperatur er nødvendigt. Imidlertid, fordi beklædningen er lavet af metal, den typiske sintring ville få substratet til at smelte eller miste dets styrke.

"Ikke alene opnår du ikke sintring, men det vigtigste substrat, du forsøger at beskytte, vil blive ødelagt, "Forklarede Bhattacharya.

Kombinationen af ​​EPD/ALD -teknikken opnår en vedhæftende belægning ved en temperatur på kun omkring 300 grader Celsius, langt lavere end den konventionelle sintringstemperatur, der kræves for sådanne kompositter.

Brug af ALD giver en anden væsentlig fordel i forhold til andre deponeringsteknikker, såsom kemisk dampaflejring (CVD). Selvom CVD deponeres hurtigere end ALD, herved blokerer den dele af de kanaler, der skal udfyldes. Som resultat, den efterlader store porøsiteter inde i kompositmaterialet. "Kun ALD kan sikre, at vi er i stand til at behandle alle kroge og kroge, "Sagde Bhattacharya.

For at teste, hvordan belægningen kan udholde reaktorbestrålingsmiljøet, forskerne bombarderede det med tunge ioner ved forskellige temperaturer i Argonnes mellemliggende spændingselektronmikroskopfacilitet (IVEM). Bagefter, prøven forblev intakt, og forskere fandt ingen synlige ændringer i nanopulveret og den overliggende ALD -belægning.

Argonnes arbejde med ALD til nukleare applikationer er blevet finansieret af flere organisationer, herunder DOE's Office of Nuclear Energy, DOE's National Nuclear Security Administration; Westinghouse, og Argonne's Laboratory Directed Research and Development fonde.