Nieuw onderzoek van wetenschappers van de Texas A&M University kan in de nabije toekomst helpen om de efficiëntie van kerncentrales te verhogen. Door een combinatie van op fysica gebaseerde modellering en geavanceerde simulaties te gebruiken, vonden ze de belangrijkste onderliggende factoren die stralingsschade aan kernreactoren veroorzaken, wat vervolgens inzicht zou kunnen geven in het ontwerpen van meer stralingstolerante, hoogwaardige materialen.

"Reactoren moeten ofwel op een hoger vermogen draaien of langer brandstof gebruiken om hun prestaties te verbeteren. Maar bij deze instellingen neemt ook het risico op slijtage toe", zegt Dr. Karim Ahmed, assistent-professor bij de afdeling Nucleaire Technologie. "Er is dus een dringende behoefte aan betere reactorontwerpen, en een manier om dit doel te bereiken is door de materialen te optimaliseren die worden gebruikt om de kernreactoren te bouwen."

De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Frontiers in Materials .

Volgens het ministerie van Energie overtreft kernenergie alle andere natuurlijke hulpbronnen wat betreft vermogen en is het goed voor 20% van de elektriciteitsproductie in de Verenigde Staten. De bron van kernenergie zijn splijtingsreacties, waarbij een isotoop van uranium zich splitst in dochterelementen na een inslag van snel bewegende neutronen. Deze reacties genereren enorme hitte, dus onderdelen van kernreactoren, met name de pompen en leidingen, zijn gemaakt van materialen met een uitzonderlijke sterkte en weerstand tegen corrosie.

Splijtingsreacties produceren echter ook intense straling die een verslechtering van de structurele materialen van de kernreactor veroorzaakt. Op atomair niveau, wanneer energetische straling deze materialen infiltreert, kan het ofwel atomen van hun locatie afstoten, waardoor puntdefecten ontstaan, of atomen dwingen lege plekken in te nemen, waardoor interstitiële defecten ontstaan. Beide onvolkomenheden verstoren de regelmatige rangschikking van atomen in de metaalkristalstructuur. En dan, wat begint als kleine onvolkomenheden groeien uit tot holtes en dislocatielussen, waardoor de mechanische eigenschappen van het materiaal in de loop van de tijd in gevaar komen.

Hoewel er enig begrip is van het soort defecten dat optreedt in deze materialen bij blootstelling aan straling, zei Ahmed dat het moeilijk was om te modelleren hoe straling, samen met andere factoren, zoals de temperatuur van de reactor en de microstructuur van het materiaal, samen bijdragen aan de vormingsdefecten en hun groei.

"De uitdaging zijn de rekenkosten," zei hij. "In het verleden waren simulaties beperkt tot specifieke materialen en voor regio's met een diameter van enkele microns, maar als de domeingrootte wordt vergroot tot zelfs 10s micron, neemt de rekenbelasting drastisch toe."

In het bijzonder zeiden de onderzoekers dat om grotere domeingroottes te accommoderen, eerdere studies hebben gecompromitteerd over het aantal parameters binnen de differentiaalvergelijkingen van de simulatie. Een ongewenst gevolg van het negeren van sommige parameters boven andere is echter een onnauwkeurige beschrijving van de stralingsschade.

Om deze beperkingen te overwinnen, ontwierpen Ahmed en zijn team hun simulatie met alle parameters, zonder aannames of de ene relevanter was dan de andere. Om de nu rekenkundig zware taken uit te voeren, gebruikten ze ook de middelen van de Texas A&M High Performance Research Computing-groep.

Bij het uitvoeren van de simulatie bleek uit hun analyse dat het gebruik van alle parameters in niet-lineaire combinaties een nauwkeurige beschrijving van stralingsschade oplevert. In het bijzonder zijn naast de microstructuur van het materiaal ook de stralingsconditie in de reactor, het reactorontwerp en de temperatuur van belang bij het voorspellen van de instabiliteit in materialen als gevolg van straling.

Aan de andere kant werpt het werk van de onderzoekers ook licht op waarom gespecialiseerde nanomaterialen toleranter zijn voor holtes en dislocatielussen. Ze ontdekten dat instabiliteiten alleen worden veroorzaakt wanneer de grens die clusters van co-georiënteerde atomaire kristallen omsluit, of korrelgrens, groter is dan een kritische grootte. Dus nanomaterialen met hun extreem fijne korrelgroottes onderdrukken instabiliteiten en worden daardoor stralingstoleranter.

"Hoewel de onze een fundamentele theoretische en modelleringsstudie is, denken we dat het de nucleaire gemeenschap zal helpen om materialen te optimaliseren voor verschillende soorten kernenergietoepassingen, met name nieuwe materialen voor reactoren die veiliger, efficiënter en zuiniger zijn", zei Ahmed. "Deze vooruitgang zal uiteindelijk onze bijdrage aan schone, koolstofvrije energie verhogen."

Dr. Abdurrahman Ozturk, een onderzoeksassistent op de afdeling nucleaire engineering, is de hoofdauteur van dit werk. Merve Gencturk, een afgestudeerde student aan de afdeling nucleaire engineering, droeg ook bij aan dit onderzoek.