Kraftfulla atomupplösningsinstrument och tekniker vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) avslöjar ny information om interaktionen mellan urandioxid (UO2) med vatten. Dessa nya insikter kommer att förbättra förståelsen för hur använt kärnbränsle kommer att försämras i djupa geologiska förvarsmiljöer.

UO2 är den primära formen av bränsle som används i kommersiella kärnkraftsreaktorer. Under kärnklyvning i en reaktor, olika radionuklider skapas i bränslet. Forskare vill veta mer om UO2, speciellt de upplösningsmekanismer som spelar in när det keramiska materialets yta kommer i kontakt med vatten. Dessa mekanismer kontrollerar frisättningen av majoriteten av radionukliderna, vilket kan få konsekvenser för miljön.

Många laboratorieinstrument saknar idag känslighet, upplösning, och radiologiska kontroller som är nödvändiga för att effektivt utforska UO2-ytor. Dock, en unik instrumenteringssvit vid PNNL gjorde det nyligen möjligt för en forskargrupp med flera institut att ta en närmare titt på ytområden. Laget, representerar University of Cambridge, Europeiska kommissionens gemensamma forskningscenter, och PNNL, avslöjade viktiga avslöjanden för kärnenergi.

Geologisk förvaring och vetenskapliga utmaningar

Koncept för djupa geologiska förvar som föreslås runt om i världen är fokuserade på den mättade zonen, där vattnet minskar – vilket så småningom kan leda till syreförlust – och där UO2 är termodynamiskt stabilt. Utmaningen kvarstår att utveckla ett tillvägagångssätt för att undersöka UO2 med tillräcklig kemisk upplösning och trohet för att förutsäga hur det kan bete sig i dessa miljöer.

"Vi håller just nu på att utveckla verktygen vi behöver för att svara på långvariga frågor om kärnmaterial, " förklarar PNNL-materialforskaren Edgar Buck.

Nya tekniker ger ny information

I studien, forskare från University of Cambridge samarbetade med PNNL-forskare för att utforska UO2-prover exponerade för kontrollerad anoxisk korrosion med hjälp av PNNL:s flaggskeppsinstrument i Radiochemical Processing Laboratorys Radiological Microscopy Suite. Kallas även "tysta sviten, " detta underjordiska rum är hem för JEOL GrandARM 300F sveptransmissionselektronmikroskop (STEM). Genom att använda aberrationskorrigerad sveptransmissionselektronmikroskopi och elektronenergiförlustspektroskopi (EELS), teamet undersökte utvecklingen av atomistisk struktur och defekter.

PNNL-teamet har tidigare visat att EELS kan kartlägga icke-jämviktsvägar för oxidation i UO2 som är svåra att sondera med andra metoder.

"Vårt tillvägagångssätt ger direkt information på atomär skala för att förbättra våra modeller för upplösning, " förklarar PNNL-materialforskaren Steven Spurgeon. I sin tur, bättre modeller kan hjälpa till att göra mer exakta, långsiktiga förutsägelser om ödet för använt kärnbränsle under anoxiska slutförvaringsförhållanden.

Instrument informerar upplösningsfrågor

I deras studie, forskarna fastställde att upplösning initieras vid materialytans korngränser och filmsprickor. Viktigt, de observerade ingen bildning av amorft ytskikt - eller, ingen förlust av dess kristallina struktur - under upplösningsprocessen. Detta pekar på en annan process för syresubstitution. Snarare, syresubstitution sker på platser i ytskikten av UO2-gittret. Denna substitutionsmekanism verkar skapa ett oxiderat passiverande lager, som skulle svara för den observerade minskningen av uranutsläpp som funktion av urlakningstiden.

"Samarbetet med PNNL gav oss unika verktyg för att avslöja ett beteende som skulle vara otillgängligt på andra sätt, " säger medförfattaren Prof. Ian Farnan från Cambridge. "Genom vår delade expertis, vi kunde visa hur subtila förändringar i ytkemin hos använt kärnbränsle kan kontrollera dess upplösning och frigörandet av radioaktiva ämnen till miljön - ett grundläggande krav för säkert bortskaffande."

Resultaten från studien rapporteras i lagets papper, "En atomisk förståelse av UO2-ytutveckling under anoxisk upplösning, " publicerad i ACS tillämpade material och gränssnitt .