En una hazaña que requiere perseverancia, tecnología líder en el mundo, y no poca precaución, Los científicos han utilizado rayos X intensos para inspeccionar el combustible nuclear irradiado. La imagen dirigido por investigadores de la Universidad de Purdue y realizado en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), reveló una vista en 3-D de la estructura interior del combustible, sentando las bases para mejores diseños y modelos de combustibles nucleares.

Hasta ahora, Los exámenes del combustible de uranio se han limitado principalmente a la microscopía de superficie o a diversas técnicas de caracterización que utilizan versiones simuladas que poseen poca radiactividad. Pero los científicos quieren saber a un nivel más profundo cómo cambia el material a medida que sufre la fisión dentro de un reactor nuclear. Los conocimientos resultantes de este estudio, que el Journal of Nuclear Materials publicó en agosto de 2020, puede conducir a combustibles nucleares que funcionan de manera más eficiente y cuestan menos de desarrollar.

Para obtener una vista interior del combustible de uranio-circonio estudiado, los investigadores separaron un poco de combustible usado lo suficientemente pequeño como para manipularlo de manera segura, una capacidad desarrollada solo en los últimos siete años. Luego, para ver el interior de esta diminuta muestra metálica, recurrieron a la fuente de fotones avanzada (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en Argonne.

Un estudio que lleva décadas en proceso

Antes de que los investigadores pudieran abordar la formidable tarea de aislar una muestra de combustible y colocarla bajo un haz de rayos X, necesitaban encontrar el espécimen adecuado. Explorando combustibles archivados en el Laboratorio Nacional de Idaho (INL) del DOE, identificaron un combustible de uranio-circonio que pasó un total de dos años a plena potencia en la instalación de prueba Fast Flux en Hanford, Washington, y fue retirado del reactor a principios de la década de 1990.

"Tuvimos que esperar décadas para que este combustible se enfriara radiológicamente o se descompusiera, "dijo Maria Okuniewski, profesor asistente de ingeniería de materiales en la Universidad de Purdue y autor principal del artículo. "Fue, literalmente, la muestra más genial que pudimos eliminar según las pautas de seguridad permitidas tanto en INL como en APS".

Incluso la muestra de combustible gastado más fría disponible todavía estaba demasiado caliente, radiológicamente hablando, en su tamaño original. Tomado de un pasador de combustible más grande, la muestra tenía menos de un cuarto de pulgada de alto, pero medía 1, 200 milirem por hora desde una distancia de 30 centímetros, un nivel de radiación 240 veces mayor que el límite permitido en el APS.

Para reducir la radiactividad, los investigadores utilizaron un haz de iones enfocado con microscopía electrónica de barrido en INL para crear una muestra mucho más pequeña. La herramienta les permitió identificar un área de interés y desplegar una corriente de iones que esencialmente molió un cubo de material. La muestra resultante tenía aproximadamente 100 micrones de ancho, no más grande que el diámetro de un cabello humano.

"Hemos recorrido un largo camino con esta nueva instrumentación que nos permite obtener muestras que son lo suficientemente pequeñas como para ser seguras y fáciles de manipular, "dijo Okuniewski.

La muestra minúscula se montó en un alfiler, encerrado en un tubo de doble pared, y enviado a Argonne, con múltiples controles de radiación para garantizar la seguridad en el camino.

En Argonne, el equipo de investigación de Purdue trabajó con científicos en la línea de luz 1-ID-E, una fuente de rayos X de alto brillo en el APS, para examinar la muestra. El objetivo:ver cómo se ve el combustible de uranio-circonio en el interior después de haber sido bombardeado con neutrones durante dos años.

"Realmente estamos hablando de un trozo de polvo que apenas se puede ver a simple vista, es así de pequeño, "dijo Peter Kenesei, físico de la División de Ciencias de Rayos X de Argonne y coautor del estudio. "Pero también es un material muy denso, por lo que necesita una intensidad suficiente de rayos X de alta energía para penetrarlo y estudiarlo ".

La técnica utilizada, tomografía microcomputada, detecta a alta resolución el haz de rayos X cuando emerge del otro lado de la muestra. A partir de varias imágenes tomadas mientras se giraba el combustible, Las computadoras podrían reconstruir sus características internas basándose en cómo alteró el haz entrante, similar a una tomografía computarizada médica.

"La flexibilidad de la línea de luz 1-ID-E, junto con la experiencia de Argonne en el manejo seguro de materiales nucleares, nos permite diseñar y realizar un experimento único como este, "Dijo Kenesei.

Una mirada más cercana a la hinchazón del combustible

En particular, Okuniewski y sus colegas estaban interesados ​​en el fenómeno de la hinchazón. El combustible nuclear genera energía al tomar un átomo de uranio y dividirlo en dos, y este proceso de fisión genera subproductos como el gas xenón y metales como el paladio y el neodimio. A medida que los átomos se dividen y los productos de fisión se acumulan, el combustible crece en volumen.

La seguridad y longevidad de cualquier combustible nuclear depende de poder predecir cuánto se hinchará. Demasiada hinchazón puede hacer que el uranio reaccione con, y posiblemente fractura, su capa exterior protectora, llamado revestimiento. Para evitar que eso suceda, los ingenieros confían en los códigos de rendimiento del combustible, que son modelos informáticos que simulan varios aspectos del comportamiento de un combustible en un reactor, como qué tan caliente se calentará y cómo se redistribuyen sus componentes en el espacio.

"En cada tipo de combustible, la hinchazón es un problema, ", Dijo Okuniewski." Estos combustibles están diseñados para que el núcleo interno pueda expandirse libremente a un nivel específico antes de tocar el revestimiento ".

Además de proporcionar una imagen localizada de la estructura del combustible y las diferentes fases del material que se desarrollaron con el tiempo, el estudio en el APS reveló evidencia de que la liberación de gases de fisión podría continuar ocurriendo más allá de los umbrales asumidos en análisis anteriores. Este tipo de datos puede ayudar a fortalecer los códigos de rendimiento del combustible, lo que a su vez ayudaría a reducir el costo del desarrollo de combustibles, ya que las simulaciones informáticas fiables pueden minimizar el número de costosas pruebas de irradiación necesarias.

"Siempre nos esforzamos dentro de la comunidad nuclear para encontrar formas de mejorar los códigos de rendimiento del combustible, "Okuniewski dijo." Esta es una forma de hacer eso. Ahora tenemos una visión tridimensional que antes no teníamos ".