Onderzoek aan de Universiteit van Manchester suggereert dat de geprefereerde kandidaat-brandstof ter vervanging van uraniumoxide in kernreactoren mogelijk nog verder moet worden ontwikkeld voor gebruik.

Dr. Robert Harrison leidde het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Corrosiewetenschap , met collega's van de universiteit en het Dalton Nuclear Institute.

"Sinds het ongeval in Fukushima in 2011 " legt Dr. Harrison uit, "er is een internationale inspanning geleverd om ongevallenbestendige brandstoffen (ATF's) te ontwikkelen, dat zijn op uranium gebaseerde brandstofmaterialen die beter bestand zijn tegen het ongevalsscenario dan de huidige brandstofassemblages."

Een van deze ATF's is een uranium-siliciumverbinding, U ₃ Si ₂ . Dit materiaal geleidt warmte veel beter dan de traditionele uraniumoxidebrandstoffen, waardoor de reactorkern bij lagere temperaturen kan werken. In een noodsituatie, hierdoor krijgen ingenieurs meer tijd om de reactor onder controle te krijgen.

Echter, er zijn veel onbekenden over hoe U ₃ Si ₂ zich in de reactorkern zal gedragen. "Een van deze onbekenden, " zegt dr. Harrison, "zo zal het zich gedragen wanneer het wordt blootgesteld aan stoom of lucht op hoge temperatuur, zoals kan gebeuren tijdens de fabricage of een ernstig ongeval tijdens de werking van de reactor."

Om te onderzoeken hoe ongevalstolerante ATF's zijn, Dr. Harrison en zijn collega's onderzochten hoe Ce ₃ Si ₂ -een niet-radioactief materiaal analoog aan U ₃ Si ₂ — gedroeg zich bij blootstelling aan lucht met een hoge temperatuur.

Met behulp van geavanceerde elektronenmicroscopietechnieken, verkrijgbaar bij de Universiteit van Manchester Electron Microscopy Center (EMC), konden de onderzoekers de reactieproducten bestuderen na Ce ₃ Si ₂ blootgesteld aan lucht bij temperaturen tot 750 °C.

Ze ontdekten dat het materiaal vatbaar was voor het vormen van nanometergrote korrels van silicium en siliciumoxide, evenals ceriumoxide. Deze nanokorrels kunnen zorgen voor verbeterde corrosie van het brandstofmateriaal of het ontsnappen van radioactieve gassen die tijdens de reactoractiviteit worden gevormd.

Dit komt omdat de vorming van nanokorrels meer korrelgrensgebieden creëert - interfaces tussen korrels, die wegen bieden voor bijtende stoffen of splijtingsgassen om langs te migreren.

"Evenzo, " voegt Dr. Harrison toe, "het zou ook mogelijk maken dat gevaarlijke gasvormige splijtingsproducten die worden geproduceerd tijdens de splitsing van uranium (zoals xenongas dat normaal in het materiaal zou worden opgesloten) langs deze korrelgrenzen naar buiten diffunderen en vrijkomen, die mogelijk schadelijk zijn voor het milieu."

Hoewel Dr. Harrison niet zegt dat deze ATF's onveiliger zijn onder ongevalsomstandigheden dan de huidige brandstoffen die ze willen vervangen, hij zou beweren dat ze momenteel niet beter zijn, en "zijn niet zo tolerant ten opzichte van ongevalsomstandigheden als ooit gehoopt".

Dr. Harrison concludeert:"Echter, met het nieuwe inzicht dat in dit werk is ontwikkeld, zal het mogelijk zijn om ATF-kandidaten te ontwikkelen en te engineeren om deze ongevalsomstandigheden beter te weerstaan, misschien door andere elementen toe te voegen, zoals aluminium, of het vervaardigen van composietmaterialen om het brandstofmateriaal beter te beschermen".

De paper is op 9 november online gepubliceerd in het tijdschrift Corrosiewetenschap . De titel van het artikel is "Atomistic Level Study of Ce ₃ Si ₂ Oxidatie als een ongeval tolerante nucleaire brandstof surrogaat."