Argonne-wetenschappers hebben een nieuwe manier ontdekt om nucleair materiaal te coaten die inspanningen ondersteunt om het gebruik van hoogverrijkt uranium te minimaliseren.

In een werkende kernreactor, de omgeving is extreem, aangezien reactorcomponenten worden blootgesteld aan een combinatie van intense straling en hitte, evenals chemisch reactief koelmiddel. Dat is waarom, om reactoren veilig te laten werken, wetenschappers moeten hun componenten ontwerpen met materialen die bestand zijn tegen deze omstandigheden.

Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een cruciale ontdekking gedaan door een techniek te gebruiken die oorspronkelijk is ontwikkeld voor de halfgeleiderindustrie en deze te gebruiken als een manier om nucleair materiaal te coaten. Deze techniek, genaamd atomic layer deposition (ALD), vormt de basis van nieuwe methoden om splijtstoffen en materialen te beschermen tegen directe blootstelling aan de vijandige omgeving van de reactor.

Depositie van atoomlagen - zoals de naam al doet vermoeden - stelt onderzoekers in staat om atomair dunne films van een bepaald materiaal op een oppervlak af te zetten. Door deze lagen op te bouwen, Argonne-wetenschappers kunnen chemisch nauwkeurige coatings vormen die zijn ontworpen om een ​​aantal specifieke eigenschappen te hebben.

"We pionieren met het gebruik van ALD voor nucleaire toepassingen, " zei Argonne nucleair ingenieur Abdellatif Yacout, manager van de brandstofontwikkelings- en kwalificatiegroep. Argonne experts in de techniek, onder leiding van Argonne Distinguished Fellow Michael Pellin, hebben bijgedragen aan die vooruitgang.

Brandstofcoatings ondersteunen inspanningen om hoogverrijkt uranium te minimaliseren

In een reeks experimenten, Argonne-wetenschappers hebben ALD gebruikt om zirkoniumnitride (ZrN) als coating direct over laagverrijkt uranium-molybdeen (U-Mo) poeders af te zetten. De coating is dun genoeg om neutronen door te laten, terwijl de brandstof wordt beschermd tegen degradatie, in het algemeen door interactie met aluminium (Al), een belangrijk bestanddeel van splijtstofsystemen voor onderzoeksreactoren.

Om de stabiliteit van de nieuw ontwikkelde ZrN-coating en de interactie met aluminium te bestuderen, wetenschappers hebben meerdere ex situ bestralingsonderzoeken uitgevoerd met behulp van zware ionen (om schade door splijtingsfragmenten te simuleren) in de faciliteit van het Tandem Linac Accelerator System (ATLAS) van Argonne, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

Dat specifieke werk om coatings voor kernbrandstoffen opnieuw te ontwerpen, ondersteunt de inspanningen om krachtige onderzoeksreactoren over de hele wereld die hoogverrijkt uranium (HEU) gebruiken, om te zetten in brandstoffen met laag verrijkt uranium (LEU), ter ondersteuning van het nationale beleid van HEU-minimalisatie.

Coating van bekledingen om bestand te zijn tegen reactoromgevingen

Twee andere reeksen experimenten met ALD draaien om bekledingen, dat zijn structurele materialen die de brandstofbestanddelen inkapselen in een kernreactor.

Hoge wrijvingsweerstand door een coating van nanolaminaat. Dit project gebruikte ALD om bekledingsmaterialen te ontwerpen die bestand zijn tegen slijtage door wrijving, een gedrag in reactorassemblages dat bijdraagt ​​aan mechanische slijtage. "Een manier om wrijving te voorkomen, is door het oppervlak van de bekleding te coaten om de hardheid te vergroten, Yacout zei. "Bekledingsoppervlakken gemodificeerd met een ALD-coating (bijvoorbeeld aluminiumoxide [Al2O3]) en gevolgd door andere behandelingen, verhoogt de oppervlaktehardheid met bijna 100-voudig.

Oxidatiebestendigheid op hoge temperatuur. Dit project draaide om het ontwikkelen van coatings voor claddings, zodat deze beter bestand zijn tegen de hoge temperaturen in een reactor tijdens zware ongevalsomstandigheden. Het team ontwikkelde een uniek keramisch composietmateriaal, die bij lage temperatuur kan worden vervaardigd, maar met een aanzienlijk compacte microstructuur.

De ontwikkeling van deze composietcoating op keramiekbasis is een proces in twee stappen. Het omvat het combineren van elektroforetische depositie (EPD), een snelle en lage temperatuur depositiemethode, met ALD. Op deze manier, de Argonne-onderzoekers waren in staat om snel een dikke keramisch-keramische composietcoating te creëren die zowel hecht als zich aanpast aan het bekledingsoppervlak.

De kracht van een gezamenlijke techniek

Noch EPD noch ALD als depositieproces op zich zou een coating hebben opgeleverd die voldoende is om de bekleding te beschermen, zei Argonne-onderzoeker Sumit Bhattacharya. "Hoewel ALD een pinhole-vrij, dichte en hechtende coating, de depositiesnelheid is relatief laag. Om de dikte te deponeren die u nodig heeft, het duurt dagen of in sommige gevallen zelfs weken, " hij zei.

"In de tussentijd, als u alleen EPD gebruikt, de afgezette laag is zeer poreus, en vereist sinteren bij hoge temperatuur om dicht en hechtend aan het substraat te worden. Dit is niet ideaal, omdat het bekledingsmateriaal temperatuurgevoelig is en al zijn mechanische eigenschappen verliest."

Een belangrijk voordeel van het gebruik van de dubbele afzettingstechnieken is het vermogen om de temperatuur die nodig is om een ​​hechtende coating te produceren aanzienlijk te verlagen. Over het algemeen, om een ​​dicht keramisch composiet te ontwikkelen, een sinterstap bij hoge temperatuur is noodzakelijk. Echter, omdat de bekleding van metaal is, het typische sinteren zou ervoor zorgen dat het substraat smelt of zijn sterkte verliest.

"Je zult niet alleen sinteren niet bereiken, maar het belangrijkste substraat dat u probeert te beschermen zal worden vernietigd, " legde Bhattacharya uit.

De combinatie van de EPD/ALD-techniek zorgt voor een hechtende coating bij een temperatuur van slechts ongeveer 300 graden Celsius, veel lager dan de conventionele sintertemperatuur die voor dergelijke composieten vereist is.

Het gebruik van ALD biedt nog een ander essentieel voordeel ten opzichte van andere depositietechnieken, zoals chemische dampafzetting (CVD). Hoewel CVD sneller wordt gedeponeerd dan ALD, daarbij blokkeert het delen van de kanalen die zouden moeten worden gevuld. Als resultaat, het laat grote porositeiten achter in de composiet. "Alleen ALD kan ervoor zorgen dat we alle hoeken en gaten kunnen behandelen, ' zei Bhattacharya.

Om te testen hoe de coating de bestralingsomgeving van de reactor kan doorstaan, de onderzoekers bombardeerden het met zware ionen bij verschillende temperaturen in Argonne's Intermediate Voltage Electron Microscope-faciliteit (IVEM). Nadien, het monster bleef intact en wetenschappers vonden geen duidelijke veranderingen in het nanopoeder en de overliggende ALD-coating.

Argonne's werk aan ALD voor nucleaire toepassingen is gefinancierd door verschillende organisaties, waaronder DOE's Office of Nuclear Energy, DOE's National Nuclear Security Administration; Westinghuis, en Argonne's laboratorium gestuurde onderzoeks- en ontwikkelingsfondsen.