Los científicos de Argonne han descubierto una nueva forma de revestir materiales nucleares que respalda los esfuerzos por minimizar el uso de uranio altamente enriquecido.

Dentro de un reactor nuclear en funcionamiento, el ambiente es extremo, ya que los componentes del reactor están expuestos a una combinación de intensa radiación y calor, así como a un refrigerante químicamente reactivo. Es por eso, para operar reactores de manera segura, Los científicos necesitan diseñar sus componentes con materiales que puedan soportar estas condiciones.

Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han hecho un descubrimiento fundamental al tomar una técnica desarrollada originalmente para la industria de semiconductores y usarla como una forma de recubrir materiales nucleares. Esta tecnica, llamada deposición de capa atómica (ALD), constituye la base de nuevos métodos para proteger los combustibles y materiales nucleares de la exposición directa al entorno hostil del reactor.

La deposición de la capa atómica, como su nombre indica, permite a los investigadores depositar películas atómicamente delgadas de un material en particular en una superficie. Al construir estas capas, Los científicos de Argonne pueden formar recubrimientos químicamente precisos diseñados para tener un conjunto de propiedades particulares.

"Somos pioneros en el uso de ALD para aplicaciones nucleares, "dijo el ingeniero nuclear de Argonne, Abdellatif Yacout, gerente del grupo de desarrollo y calificación de combustibles. Argonne expertos en la técnica, dirigido por Michael Pellin, miembro distinguido de Argonne, fueron fundamentales en esos avances.

Los revestimientos de combustible apoyan los esfuerzos para minimizar el uranio altamente enriquecido

En un conjunto de experimentos, Los científicos de Argonne han utilizado ALD para depositar nitruro de circonio (ZrN) como recubrimiento directamente sobre polvos de uranio-molibdeno (U-Mo) poco enriquecidos. El recubrimiento es lo suficientemente delgado como para permitir que los neutrones penetren, mientras protege el combustible de la degradación, generalmente por interacción con aluminio (Al), un componente principal de los sistemas de combustible de un reactor de investigación.

Para estudiar la estabilidad del revestimiento ZrN recientemente desarrollado y cómo interactúa con el aluminio, Los científicos realizaron múltiples estudios de irradiación ex situ utilizando iones pesados ​​(para simular el daño de los fragmentos de fisión) en las instalaciones del Sistema Acelerador Tandem Linac (ATLAS) de Argonne. una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

Ese trabajo específico para rediseñar recubrimientos para combustibles nucleares respalda el esfuerzo por convertir los reactores de investigación de alta potencia en todo el mundo que usan uranio altamente enriquecido (HEU) para usar combustibles de uranio poco enriquecido (LEU). en apoyo de la política nacional de minimización de UME.

Revestimientos de revestimiento para resistir los entornos de los reactores

Otros dos conjuntos de experimentos que involucran ALD giran en torno a revestimientos, que son materiales estructurales que encapsulan los componentes del combustible dentro de un reactor nuclear.

Alta resistencia al desgaste gracias a un recubrimiento nanolaminado. Este proyecto utilizó ALD para diseñar materiales de revestimiento que resistirían el desgaste por rozamiento, un comportamiento en los conjuntos de reactores que contribuye al desgaste mecánico. "Una forma de resistir el desgaste es recubrir la superficie del revestimiento para aumentar su dureza, "Dijo Yacout." Superficies de revestimiento modificadas con un revestimiento de ALD (por ejemplo, óxido de aluminio [Al2O3]) y seguido de otros tratamientos, aumenta la dureza de la superficie en casi 100 veces.

Resistencia a la oxidación a alta temperatura. Este proyecto giraba en torno al desarrollo de recubrimientos para revestimientos de modo que pudieran resistir mejor las altas temperaturas dentro de un reactor durante condiciones de accidentes graves. El equipo desarrolló un material compuesto cerámico único, que se puede fabricar a baja temperatura pero con una microestructura significativamente compacta.

El desarrollo de este recubrimiento compuesto a base de cerámica es un proceso de dos pasos. Implica combinar la deposición electroforética (EPD), un método de deposición rápido y a baja temperatura, con ALD. De este modo, Los investigadores de Argonne pudieron crear rápidamente un recubrimiento compuesto de cerámica y cerámica gruesa que se adhiere y se adapta a la superficie del revestimiento.

El poder de una técnica conjunta

Ni EPD ni ALD como proceso de deposición por sí mismos habrían producido un recubrimiento suficiente para proteger el revestimiento, dijo el investigador de Argonne Sumit Bhattacharya. "A pesar de que ALD genera un revestimiento denso y adherente, la tasa de deposición es relativamente lenta. Para depositar el espesor que necesita, Tardará días o incluso en algunos casos semanas, " él dijo.

"Mientras tanto, si solo usa EPD, la capa depositada es muy porosa, y requiere sinterización a alta temperatura para volverse densa y adherente al sustrato. Esto no es ideal ya que el material de revestimiento es sensible a la temperatura y perderá todas sus propiedades mecánicas ".

Una ventaja principal de utilizar las técnicas de deposición dual consiste en la capacidad de reducir en gran medida la temperatura necesaria para producir un revestimiento adherente. Generalmente, para desarrollar un compuesto cerámico denso, es necesaria una etapa de sinterización a alta temperatura. Sin embargo, porque el revestimiento es de metal, la sinterización típica haría que el sustrato se fundiera o perdiera su resistencia.

"No solo no lograrás la sinterización, pero el sustrato principal que está tratando de proteger se destruirá, "Explicó Bhattacharya.

La combinación de la técnica EPD / ALD logra un recubrimiento adherente a una temperatura de solo alrededor de 300 grados Celsius, mucho más baja que la temperatura de sinterización convencional requerida para tales compuestos.

El uso de ALD ofrece otro beneficio esencial sobre otras técnicas de deposición, como la deposición de vapor químico (CVD). Aunque CVD se deposita más rápidamente que ALD, al hacerlo, bloquea partes de los canales que deberían llenarse. Como resultado, deja grandes porosidades dentro del composite. "Solo ALD puede asegurarse de que podamos tratar todos los rincones y grietas, "Dijo Bhattacharya.

Para probar cómo el recubrimiento puede soportar el entorno de irradiación del reactor, los investigadores lo bombardearon con iones pesados ​​a varias temperaturas en la instalación de Microscopio Electrónico de Voltaje Intermedio (IVEM) de Argonne. Después, la muestra permaneció intacta y los científicos no encontraron cambios aparentes en el nanopolvo y el recubrimiento de ALD superpuesto.

El trabajo de Argonne en ALD para aplicaciones nucleares ha sido financiado por varias organizaciones, incluida la Oficina de Energía Nuclear del DOE, La Administración Nacional de Seguridad Nuclear del DOE; Westinghouse, y los fondos de investigación y desarrollo dirigidos por el laboratorio de Argonne.