A maghasadás alaposan tanulmányozott folyamat, amelyet rendszeresen alkalmazunk nagy mennyiségű energia előállítására. Ennek ellenére továbbra sem ismerjük pontosan a nukleáris üzemanyagok működésének minden mechanizmusát. Ez még az olyan fémes üzemanyagokra is igaz, mint a 10 százalék cirkóniummal ötvözött urán, az U–10Zr, amely a nátriumhűtésű gyorsreaktorok legszélesebb körben vizsgált fémes üzemanyaga.
Mivel az U–10Zr egyre ígéretesebb üzemanyagjelöltnek számít a következő generációs, fejlett nukleáris reaktorok számára, a kutatók úgy döntöttek, részletesebben is megvizsgálják, hogy pontosan milyen változásokon megy keresztül a hasadási folyamat során. Ennek érdekében az INL és a Brookhaven National Laboratory (BNL) szakembereivel együttműködve tanulmányozták, hogyan lép kölcsönhatásba az üzemanyag a fűtőelem burkolatával – írja az Intersting Engineering.
A nátriumhűtésű gyorsreaktorokban a nukleáris üzemanyagot rudak formájában helyezik el, majd burkolatcsőnek nevezett csövekbe zárják. Az egyes rudakon belül a hő a középpontból kifelé halad, amíg el nem éri a burkolatot. Innen a folyékony nátrium vezeti tovább a hőt, amelyet végül villamosenergia-termelésre használnak fel.
A reaktor működése közben az üzemanyag és annak burkolata közötti érintkezés kémiai reakciókat idéz elő. Ezek során különböző gázok, illetve lantanidáknak nevezett ritkaföldfémek keletkezhetnek. A folyamat rideggé teheti a burkolatot, és károsíthatja a fűtőelem rendszerét.
A kutatók a Fast Flux Test Facility kísérleti reaktorából származó, 1982 és 1992 között használt üzemanyagmintákat vizsgálták. A nagy energiájú szinkrotron-röntgentomográfiának nevezett eljárással három dimenzióban rekonstruálták az üzemanyag belső pórushálózatát. Így feltérképezhették, hogyan változik a porozitás és a kémiai összetétel, valamint miként alakul az üzemanyag és a burkolat közötti kölcsönhatás az üzemanyag sugarának teljes keresztmetszetében.
A vizsgálat során kiderült, hogy miközben az üzemanyag teljes porozitása csak mérsékelten emelkedett, a burkolat közelében a pórusok sűrűsége több mint két nagyságrenddel, vagyis több mint százszorosára nőtt. A pórushálózatoknak fontos szerepük van, mivel lehetővé teszik a hasadási termékek és a lantanidák mozgását, ugyanakkor lassítják a hő terjedését. Ez egyaránt befolyásolja a nukleáris üzemanyag teljesítményét és élettartamát.
„A pórusok összekapcsolódásának, valamint az üzemanyag és a burkolat közötti kölcsönhatásnak a közvetlen, háromdimenziós megjelenítése fontos ismeretekkel szolgál a nátriumhűtésű gyorsreaktorok fejlett fémes üzemanyagainak teljesítménynöveléséhez” – mondta Tiankai Yao, az INL kutatója, aki szintén részt vett a munkában.
Mivel a kísérleti eredmények eltérnek a pórusok kialakulásáról korábban felállított modellektől, a kutatók arra számítanak, hogy az új ismeretek pontosabb szimulációk kidolgozását teszik lehetővé. Ezek a modellek a jövőben hozzájárulhatnak ahhoz, hogy a reaktorok hosszabb ideig működhessenek biztonságosan és hatékonyan.
„Magas hőmérsékleten a pórusok nem feltétlenül jelentenek hátrányt, ugyanis azt találtuk, hogy olyan útvonalakként szolgálnak, amelyeken keresztül a folyékony nátrium áramolhat az üzemanyagon belül, fenntartva annak hővezető képességét” – magyarázta Ericmoore Jossou, az MIT nukleáris tudományokkal és mérnöki tudományokkal foglalkozó professzora az egyetem közleményében. „Az összekapcsolódó pórusok emellett elvezetőcsatornaként is szolgálhatnak a hasadási gázok számára, ami csökkenti az üzemanyag belső mátrixában kialakuló mechanikai feszültséget.”
Az eredmények a következő generációs nátriumhűtésű gyorsreaktorok számára készülő, nagyobb teljesítményű és hosszabb élettartamú fűtőelem-rendszerek megtervezését is elősegíthetik.
Kiemelt kép forrása:
S.Rita
