Hay mucho que aprender sobre lo que sucede cuando la fisión ocurre dentro del combustible nuclear. Los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) están proporcionando nuevos conocimientos sobre ese proceso, sin exponerse al desafío o los peligros de trabajar con materiales radiactivos.
A través de la Iniciativa de Ciencia de Procesos Nucleares (NPSI) de PNNL, los investigadores utilizaron un material sustituto no radiactivo, óxido de cerio, eso es muy similar al combustible de óxido de uranio que se usa en los reactores nucleares. El objetivo era comprender y predecir la formación y el crecimiento de partículas metálicas en el combustible nuclear irradiado utilizando el sustituto dopado con cinco metales. El equipo utilizó microscopios avanzados para caracterizar la precipitación de partículas in situ durante el tratamiento térmico y la irradiación de iones.
"No se han realizado estudios similares antes, ", dice el científico de materiales Weilin Jiang. La experimentación y los resultados se relataron en el artículo, "Estudio in situ de la precipitación de partículas en CeO2 dopado con metal durante el tratamiento térmico y la irradiación iónica para la emulación de combustibles irradiantes, "publicado el 8 de enero, 2019, edición de The Revista de química física C .
Trayendo el calor
Al describir la progresión del calentamiento del óxido de cerio, Jiang señala que en el rango de 800 a 1, 000 grados Celsius (C) —o 1, 472 a 1, 832 grados Fahrenheit (F):los investigadores observaron diminutas partículas metálicas precipitando, o formando. A medida que aumentaba la temperatura, aparecieron un mayor número de partículas de tamaño similar. "Luego, a la 1, 100 grados C (2, 012 grados F), el tamaño de las partículas aumentó drásticamente, desde unos pocos nanómetros hasta unos 75 nanómetros, y las partículas grandes tenían facetas visibles, "Explica Jiang.
Los resultados experimentales se relacionan con un gradiente de temperatura dentro de una pastilla de combustible, es decir, la zona de alta temperatura en el centro crea partículas más grandes que las regiones relativamente más frías en las áreas externas. Los investigadores encontraron que las partículas en el óxido de cerio estaban dominadas por el molibdeno, lo que podría estar relacionado con las movilidades y concentraciones de las especies metálicas individuales.
Cuando Jiang y sus colegas observaron la muestra de óxido de cerio tratada térmicamente después de haber sido almacenada en condiciones ambientales, observaron además que se había formado una capa de óxido en las partículas conectadas a nanobarras de óxido. Dice que el equipo no pudo sacar ninguna conclusión sobre la observación, pero espero explorar el fenómeno en el futuro.
Jiang dice que estos resultados y otros descubrimientos aportan nuevos conocimientos que pueden aplicarse a la evaluación del cambio y el rendimiento de la estructura del combustible nuclear. Añade que si bien los reactores han funcionado durante décadas, No se sabe mucho acerca de cómo se forman exactamente las partículas metálicas en el combustible durante la fisión, aunque se sabe que los precipitados y los defectos pueden afectar negativamente el rendimiento del combustible. Los nuevos conocimientos sobre la formación de partículas pueden hacer posible crear diseños de combustibles más eficientes y tal vez desarrollar nuevos materiales para aplicaciones relacionadas.
La colaboración y los instrumentos únicos sustentan el experimento
La investigación incluyó la colaboración con un equipo de Sandia National Laboratories (SNL) y el uso de la capacidad de microscopía electrónica de transmisión de irradiación iónica in situ de SNL. En PNNL, Los investigadores accedieron a un microscopio único en el Laboratorio de Ciencia y Tecnología de Materiales que permitió la microscopía electrónica de transmisión de barrido y el mapeo elemental basado en espectroscopía dispersiva de energía de alta sensibilidad (EDS). Más específicamente, el EDS hizo posible identificar elementos químicos y señalar su ubicación en el óxido de cerio.
Cuando el trabajo de investigación completado fue aceptado para su publicación en The Revista de química física C , Se invitó a Jiang y sus colegas a presentar una portada que representara la obra, que fue creado por el diseñador gráfico de PNNL Nathan Johnson.
La investigación fue un componente de un período de tres años Proyecto financiado por NPSI, "Implantación de iones y caracterización de la formación de fases metálicas de épsilon en Ceria". El proyecto se centró en enfoques novedosos para comprender los efectos de la radiación en el combustible irradiado, mientras se reducen los riesgos debido al alto costo, largo tiempo de experimento, y cuestiones radiológicas.
