Det finns mycket att lära om vad som händer när klyvning sker inuti kärnbränsle. Forskare vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ger några nya insikter i den processen - utan att utsätta sig för utmaningen eller farorna med att arbeta med radioaktiva material.
Genom PNNL:s Nuclear Process Science Initiative (NPSI), forskarna använde ett icke-radioaktivt surrogatmaterial, ceriumoxid, det är mycket likt uranoxidbränslet som används i kärnreaktorer. Målet var att förstå och förutsäga bildandet och tillväxten av metallpartiklar i bestrålat kärnbränsle med hjälp av surrogatet dopat med fem metaller. Teamet använde avancerade mikroskop för att karakterisera partikelutfällning in situ under termisk behandling och jonbestrålning.
"Liknande studier har inte gjorts tidigare, " säger materialforskaren Weilin Jiang. Experimenten och resultaten skrevs upp i tidningen, "In situ-studie av partikelutfällning i metalldopad CeO2 under termisk behandling och jonbestrålning för emulering av bestrålningsbränsle, " publicerad den 8 januari, 2019, upplagan av The Journal of Physical Chemistry C .
Ta med värmen
När man beskriver uppvärmningsförloppet för ceriumoxiden, Jiang noterar att i intervallet från 800 till 1, 000 grader Celsius (C)—eller 1, 472 till 1, 832 grader Fahrenheit (F) – forskare observerade små metallpartiklar fälla ut, eller bildas. När temperaturen ökade, större antal partiklar av liknande storlek uppträdde. "Sedan, vid 1, 100 grader C (2, 012 grader F), storleken på partiklarna ökade dramatiskt, från några nanometer till cirka 75 nanometer – och stora partiklar hade synliga aspekter, " förklarar Jiang.
De experimentella resultaten relaterar till en temperaturgradient i en bränslepellet – det vill säga högtemperaturzonen i mitten skapar större partiklar än relativt kallare områden i de yttre områdena. Forskare fann att partiklar i ceriumoxiden var molybdendominerade, som skulle kunna relateras till rörligheten och koncentrationerna av de enskilda metalliska arterna.
När Jiang och hans kollegor tittade på det värmebehandlade ceriumoxidprovet efter att det hade lagrats vid omgivande förhållanden, de observerade vidare att ett oxidskikt hade bildats på partiklar kopplade till oxidnanostavar. Han säger att laget inte kunde dra några slutsatser om observationen, men hoppas kunna utforska fenomenet i framtiden.
Jiang säger att dessa resultat och andra rön ger ny kunskap som kan användas för att utvärdera kärnbränslestrukturens förändring och prestanda. Han tillägger att medan reaktorer har fungerat i decennier, mycket är inte känt om exakt hur metallpartiklar bildas i bränslet under fission - även om det är känt att utfällningar och defekter kan påverka bränsleprestandan negativt. Ny kunskap om partikelbildning kan göra det möjligt att skapa effektivare bränslekonstruktioner och kanske utveckla nya material för relaterade tillämpningar.
Samarbete och unika instrument underbygger experiment
Forskningen inkluderade samarbete med ett team vid Sandia National Laboratories (SNL) och användning av SNL:s in situ-jonbestrålningstransmissionselektronmikroskopi. På PNNL, forskare fick tillgång till ett unikt mikroskop i Materials Science and Technology Laboratory som möjliggjorde scanningtransmissionselektronmikroskopi och elementarkartering baserat på högkänslig energidispergerande spektroskopi (EDS). Mer specifikt, EDS gjorde det möjligt att identifiera kemiska grundämnen och lokalisera deras placering i ceriumoxiden.
När den färdiga forskningsartikeln godkändes för publicering i The Journal of Physical Chemistry C , Jiang och hans kollegor var inbjudna att skicka in omslagskonst som representerade verket, som skapades av PNNL grafiska designern Nathan Johnson.
Forskningen var en del av ett treårigt, NPSI-finansierat projekt, "Jonimplantation och karaktärisering av Epsilons metallfasbildning i Ceria." Projektet fokuserade på nya metoder för att förstå strålningseffekter i bestrålat bränsle, samtidigt som man minskar riskerna på grund av höga kostnader, lång experimenttid, och radiologiska frågor.
