Il y a beaucoup à apprendre sur ce qui se passe lorsque la fission se produit à l'intérieur du combustible nucléaire. Les chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) fournissent de nouvelles informations sur ce processus, sans s'exposer au défi ou aux dangers de travailler avec des matières radioactives.
Grâce à la Nuclear Process Science Initiative (NPSI) du PNNL, les chercheurs ont utilisé un matériau de substitution non radioactif, oxyde de cérium, c'est très similaire au combustible à l'oxyde d'uranium utilisé dans les réacteurs nucléaires. L'objectif était de comprendre et de prédire la formation et la croissance de particules métalliques dans le combustible nucléaire irradié en utilisant le substitut dopé avec cinq métaux. L'équipe a utilisé des microscopes avancés pour caractériser la précipitation des particules in situ pendant le traitement thermique et l'irradiation ionique.
"Des études similaires n'ont pas été faites auparavant, " dit le scientifique des matériaux Weilin Jiang. L'expérimentation et les résultats ont été relatés dans le document, "Étude in situ de la précipitation des particules dans le CeO2 dopé au métal pendant le traitement thermique et l'irradiation ionique pour l'émulation de combustibles irradiants, " publié le 8 janvier 2019, édition de La Journal de chimie physique C .
Apporter la chaleur
En décrivant la progression du chauffage de l'oxyde de cérium, Jiang note que dans la plage de 800 à 1, 000 degrés Celsius (C)—ou 1, 472 à 1, 832 degrés Fahrenheit (F) - les chercheurs ont observé de minuscules particules métalliques précipitant, ou formant. Au fur et à mesure que la température augmentait, un plus grand nombre de particules de taille similaire sont apparues. "Puis, à 1, 100 degrés C (2, 012 degrés F), la taille des particules a considérablement augmenté, de quelques nanomètres à environ 75 nanomètres - et les grosses particules avaient des facettes visibles, ", explique Jiang.
Les résultats expérimentaux portent sur un gradient de température au sein d'une pastille combustible, c'est-à-dire la zone à haute température au centre crée des particules plus grosses que les régions relativement plus froides dans les zones extérieures. Les chercheurs ont découvert que les particules de l'oxyde de cérium étaient dominées par le molybdène, ce qui pourrait être lié aux mobilités et aux concentrations des espèces métalliques individuelles.
Lorsque Jiang et ses collègues ont examiné l'échantillon d'oxyde de cérium traité thermiquement après son stockage dans des conditions ambiantes, ils ont en outre observé qu'une couche d'oxyde s'était formée sur des particules connectées à des nanotiges d'oxyde. Il dit que l'équipe n'a pas été en mesure de tirer des conclusions sur l'observation, mais j'espère explorer le phénomène à l'avenir.
Jiang dit que ces résultats et d'autres découvertes fournissent de nouvelles connaissances qui peuvent être appliquées à l'évaluation du changement de structure et des performances du combustible nucléaire. Il ajoute que si les réacteurs fonctionnent depuis des décennies, On ne sait pas exactement comment les particules métalliques se forment dans le combustible pendant la fission, bien que l'on sache que les précipités et les défauts peuvent avoir un impact négatif sur les performances du combustible. De nouvelles connaissances sur la formation des particules peuvent permettre de créer des conceptions de carburant plus efficaces et peut-être de développer de nouveaux matériaux pour des applications connexes.
La collaboration et des instruments uniques sous-tendent l'expérimentation
La recherche comprenait une collaboration avec une équipe de Sandia National Laboratories (SNL) et l'utilisation de la capacité de microscopie électronique à transmission par irradiation ionique in situ de SNL. Au PNNL, les chercheurs ont eu accès à un microscope unique dans le laboratoire de science et technologie des matériaux qui a permis la microscopie électronique à transmission à balayage et la cartographie élémentaire basée sur la spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS) à haute sensibilité. Plus précisement, l'EDS a permis d'identifier les éléments chimiques et de localiser leur localisation dans l'oxyde de cérium.
Lorsque le document de recherche terminé a été accepté pour publication dans The Journal de chimie physique C , Jiang et ses collègues ont été invités à soumettre une pochette représentant l'œuvre, qui a été créé par le graphiste PNNL Nathan Johnson.
La recherche était une composante d'un programme de trois ans, Projet financé par NPSI, "Implantation ionique et caractérisation de la formation de phase métallique Epsilon dans Ceria." Le projet s'est concentré sur de nouvelles approches pour comprendre les effets des rayonnements dans le combustible irradié, tout en réduisant les risques dus au coût élevé, longue période d'expérimentation, et les problèmes radiologiques.
