Er valt veel te leren over wat er gebeurt als splijting plaatsvindt in kernbrandstof. Onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) bieden nieuwe inzichten in dat proces, zonder zichzelf bloot te stellen aan de uitdaging of gevaren van het werken met radioactieve materialen.

Via het Nuclear Process Science Initiative (NPSI) van PNNL, de onderzoekers gebruikten een niet-radioactief surrogaatmateriaal, ceriumoxide, dat lijkt erg op de uraniumoxidebrandstof die in kernreactoren wordt gebruikt. Het doel was om de vorming en groei van metaaldeeltjes in bestraalde splijtstof te begrijpen en te voorspellen met behulp van het surrogaat dat met vijf metalen is gedoteerd. Het team gebruikte geavanceerde microscopen om de neerslag van deeltjes in situ te karakteriseren tijdens thermische behandeling en ionenbestraling.

"Vergelijkbare studies zijn niet eerder gedaan, ", zegt materiaalwetenschapper Weilin Jiang. De experimenten en resultaten werden opgetekend in de krant, "In situ studie van deeltjesneerslag in met metaal gedoteerde CeO2 tijdens thermische behandeling en ionenbestraling voor emulatie van bestralende brandstoffen, " gepubliceerd in de 8 januari, 2019, editie van The Journal of Physical Chemistry C .

De warmte brengen

Bij het beschrijven van de verhittingsprogressie van het ceriumoxide, Jiang merkt op dat in het bereik van 800 tot 1, 000 graden Celsius (C)—of 1, 472 tegen 1, 832 graden Fahrenheit (F) -onderzoekers zagen kleine metaaldeeltjes neerslaan, of vormen. Naarmate de temperatuur toenam, grotere aantallen deeltjes van vergelijkbare grootte verschenen. "Vervolgens, bij 1, 100 graden C (2, 012 graden F), de grootte van de deeltjes nam dramatisch toe, van een paar nanometer tot ongeveer 75 nanometer - en grote deeltjes hadden zichtbare facetten, " legt Jiang uit.

De experimentele resultaten hebben betrekking op een temperatuurgradiënt in een brandstofpellet, dat wil zeggen, de hoge-temperatuurzone in het midden creëert grotere deeltjes dan relatief koelere regio's in de buitenste gebieden. Onderzoekers ontdekten dat deeltjes in het ceriumoxide door molybdeen werden gedomineerd, die verband kunnen houden met de mobiliteiten en concentraties van de afzonderlijke metaalsoorten.

Toen Jiang en zijn collega's naar het met warmte behandelde ceriumoxidemonster keken nadat het bij omgevingscondities was bewaard, ze merkten verder op dat zich een oxidelaag had gevormd op deeltjes die waren verbonden met oxide-nanostaafjes. Hij zegt dat het team geen conclusies kon trekken over de waarneming. maar hoop het fenomeen in de toekomst te verkennen.

Jiang zegt dat deze resultaten en andere bevindingen nieuwe kennis opleveren die kan worden toegepast bij de beoordeling van veranderingen en prestaties van de splijtstofstructuur. Hij voegt eraan toe dat, hoewel reactoren al tientallen jaren in bedrijf zijn, er is niet veel bekend over de precieze vorming van metaaldeeltjes in de brandstof tijdens splijting, hoewel bekend is dat precipitaties en defecten de brandstofprestaties nadelig kunnen beïnvloeden. Nieuwe kennis over de vorming van deeltjes kan het mogelijk maken om efficiëntere brandstofontwerpen te maken en misschien nieuwe materialen te ontwikkelen voor verwante toepassingen.

Samenwerking en unieke instrumenten ondersteunen het experiment

Het onderzoek omvatte samenwerking met een team van Sandia National Laboratories (SNL) en het gebruik van SNL's in-situ ionenbestralingstransmissie-elektronenmicroscopiecapaciteit. Bij PNNL, onderzoekers kregen toegang tot een unieke microscoop in het Materials Science and Technology Laboratory die scanning transmissie-elektronenmicroscopie en elementaire mapping mogelijk maakte op basis van hooggevoelige energiedispersieve spectroscopie (EDS). Specifieker, de EDS maakte het mogelijk om chemische elementen te identificeren en hun locaties in het ceriumoxide te bepalen.

Wanneer het voltooide onderzoekspaper werd geaccepteerd voor publicatie in The Journal of Physical Chemistry C , Jiang en zijn collega's werden uitgenodigd om albumhoezen in te dienen die het werk vertegenwoordigen, die is gemaakt door PNNL grafisch ontwerper Nathan Johnson.

Het onderzoek was een onderdeel van een driejarig, NPSI-gefinancierd project, "Ionenimplantatie en karakterisering van Epsilon-metaalfasevorming in Ceria." Het project richtte zich op nieuwe benaderingen om stralingseffecten in bestraalde splijtstof te begrijpen, terwijl de risico's als gevolg van hoge kosten worden verminderd, lange experimenttijd, en radiologische problemen.