I en prestation som kräver uthållighet, världsledande teknik, och ingen liten försiktighet, forskare har använt intensiva röntgenstrålar för att inspektera bestrålat kärnbränsle. Bilden, ledd av forskare vid Purdue University och genomförd vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, avslöjade en 3D-bild av bränslets inre struktur, lägga grunden för bättre kärnbränsleutformningar och modeller.

Tills nu, undersökningar av uranbränsle har begränsats till mestadels ytmikroskopi eller till olika karaktäriseringstekniker med hjälp av skenversioner som har liten radioaktivitet. Men forskare vill veta på en djupare nivå hur materialet förändras när det genomgår fission i en kärnreaktor. Resultaten från denna studie, som Journal of Nuclear Materials publicerade i augusti 2020, kan leda till kärnbränslen som fungerar mer effektivt och kostar mindre att utveckla.

För att få en inre vy av det uran-zirkoniumbränsle som studerats, forskarna tog bort lite använt bränsle som var tillräckligt litet för att hanteras säkert - en förmåga som utvecklats bara under de senaste sju åren. Sedan, att se inuti detta lilla metallprov, de vände sig till Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science User Facility belägen i Argonne.

En studie decennier på gång

Innan forskarna kunde närma sig den formidabla uppgiften att isolera ett bränsleprov och placera det under en röntgenstråle, de behövde hitta rätt exemplar. Utforska bränslen arkiverade vid DOE:s Idaho National Laboratory (INL), de identifierade ett uran-zirkoniumbränsle som tillbringade totalt två år vid full effekt i Fast Flux Test Facility i Hanford, Washington, och togs bort från reaktorn i början av 1990 -talet.

"Vi fick vänta årtionden på att detta bränsle skulle radiologiskt svalna eller förfalla, "sa Maria Okuniewski, biträdande professor i materialteknik vid Purdue University och tidningens huvudförfattare. "Det var bokstavligen det coolaste exemplaret som vi kunde ta bort baserat på de tillåtna säkerhetsriktlinjerna på både INL och APS."

Även det kallaste tillgängliga provet på använt bränsle var fortfarande för varmt, radiologiskt sett, i sin ursprungliga storlek. Taget från en större bränslepinne, urvalet var mindre än en kvarts tum högt, men den mätte 1, 200 millirem per timme från ett avstånd av 30 centimeter - en strålningsnivå 240 gånger större än den tillåtna gränsen vid APS.

För att minska radioaktiviteten, forskarna använde en fokuserad jonstråle med svepelektronmikroskopi vid INL för att skapa ett mycket mindre prov. Verktyget tillät dem att hitta ett intresseområde och distribuera en ström av joner som i huvudsak malde ut en kub av material. Det resulterande provet var ungefär 100 mikron tvärs över, inte större än diametern på ett människohår.

"Vi har kommit långt med den här nya instrumenten som gör att vi kan få prover som är tillräckligt små för att vara säkra och enkla att hantera, sa Okuniewski.

Minimprovet monterades på en stift, inneslutet i ett dubbelväggigt rör, och skickade till Argonne, med flera strålningskontroller för att säkerställa säkerheten längs vägen.

På Argonne, forskargruppen i Purdue arbetade med forskare vid beamline 1-ID-E, en röntgenkälla med hög briljans vid APS, för att undersöka provet. Målet:Att se hur uran-zirkoniumbränsle ser ut på insidan efter att det har bombarderats med neutroner i två år.

"Vi pratar verkligen om en dammbit som du knappt kan se med blotta ögat - den är så liten, "sa Peter Kenesei, en fysiker med Argonnes röntgenvetenskapliga avdelning och studieförfattare. "Men det här är också mycket tätt material, så du behöver en tillräcklig intensitet av högenergiröntgen för att tränga igenom och studera den. "

Tekniken som används, mikroberäknad tomografi, detekterar röntgenstrålen vid hög upplösning när den dyker upp på andra sidan av provet. Från flera bilder tagna när bränslet roterades, datorer kan rekonstruera sina interna funktioner baserat på hur det ändrade den inkommande strålen, liknande en medicinsk CT -skanning.

"1-ID-E-strålens flexibilitet, tillsammans med Argonnes expertis inom säker hantering av kärnmaterial, tillåter oss att designa och genomföra ett unikt experiment som det här, "Sa Kenesei.

Titta närmare på bränslesvullnad

Särskilt, Okuniewski och hennes kollegor var intresserade av fenomenet svullnad. Kärnbränsle genererar energi genom att ta en uranatom och dela den i två, och denna klyvningsprocess genererar biprodukter som gasxenon och metaller som palladium och neodym. När atomer splittras och klyvningsprodukter ackumuleras, bränslet växer i volym.

Säkerheten och livslängden för ett givet kärnbränsle beror på att man kan förutsäga hur mycket det kommer att svälla. För mycket svullnad kan få uran att reagera med, och eventuellt fraktur, dess skyddande yttre skikt, kallas en beklädnad. För att förhindra att det händer, ingenjörer förlitar sig på bränslekvalitetskoder, som är datormodeller som simulerar olika aspekter av ett bränsles beteende i en reaktor, till exempel hur varmt det blir i temperatur och hur dess beståndsdelar omfördelas i rymden.

"I varje enskild bränsletyp, svullnad är ett problem, "Okuniewski sa." Dessa bränslen är utformade så att den inre kärnan är fri att expandera till en specifik nivå innan den rör vid beklädnaden. "

Förutom att ge en tydligare, lokaliserad bild av bränslestrukturen och de olika materialfaser som utvecklats över tiden, studien vid APS avslöjade bevis på att utsläpp av klyvgaser kan fortsätta att ske utöver de trösklar som antogs i tidigare analyser. Denna typ av data kan hjälpa till att stärka bränsleprestandakoder, vilket i sin tur skulle bidra till att sänka kostnaderna för bränsleutveckling, eftersom tillförlitliga datasimuleringar kan minimera antalet dyra bestrålningstester som behövs.

"Vi strävar alltid inom kärnkraftssamhället för att ta reda på hur vi kan förbättra bränsleprestandakoderna, "Sa Okuniewski." Detta är ett sätt att göra det. Nu har vi tredimensionell insikt som vi tidigare inte alls hade. "