Исследование выявило трёхмерную сеть пор внутри уран-циркониевого металлического ядерного топлива

Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) совместно с Национальной лабораторией Айдахо (INL) провели трёхмерное визуализационное исследование облучённого уран-циркониевого металлического топлива, выявившее сеть пор внутри топлива и её связь с химическими изменениями и взаимодействием топлива с оболочкой. Исследователи полагают, что эти результаты помогут улучшить модели характеристик металлического топлива, предоставив справочные данные для продления циклов эксплуатации некоторых реакторов и проектирования топливных систем натриевых быстрых реакторов следующего поколения.

Уран-10% цирконий (U-10Zr) — это уран-циркониевый сплав металлического топлива, содержащий 10% циркония, который прошёл широкие испытания в натриевых быстрых реакторах, таких как экспериментальный реактор-размножитель II (EBR-II) и испытательная установка быстрого потока (FFTF). С развитием исследований передовых реакторов этот тип металлического топлива вновь привлёк внимание, однако детали образования пор, распухания, теплопередачи и взаимодействия с материалами оболочки в условиях реакторного облучения всё ещё требуют дальнейшего уточнения.

В процессе работы реактора тяжёлые атомы в ядерном топливе претерпевают деление, образуя продукты деления и вызывая дефекты материалов. Эти дефекты влияют на распухание топлива, теплопередачу и химическую миграцию. Для натриевых быстрых реакторов топливо обычно заключено в металлическую оболочку; химическое взаимодействие между топливом и оболочкой может приводить к миграции газов деления, редкоземельных элементов и других веществ к оболочке, что влияет на целостность оболочки и срок службы топливной системы.

Используемые в данном исследовании образцы топлива были получены с испытательной установки быстрого потока. Национальная лаборатория Айдахо отвечала за управление образцами и их подготовку, после чего исследовательская группа использовала технологию высокоэнергетической синхротронной рентгеновской компьютерной томографии Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) для трёхмерной реконструкции облучённого топлива U-10Zr, наблюдая изменения пористости, морфологии пор, химического состава и взаимодействия топлива с оболочкой в радиальном направлении топлива.

Результаты показали, что пористость топлива незначительно увеличивается от центра к краю, однако вблизи области оболочки плотность пор возрастает более чем на два порядка. Исследователи также обнаружили, что в центральной области топлива преобладают мелкие поры, а ближе к краю поры постепенно эволюционируют в более крупные, сложные и взаимосвязанные сетевые структуры. Это отличается от прежних моделей, упрощавших поры до сферической формы.

Первый автор статьи, постдокторант Массачусетского технологического института Энтони Харрап (Anthony Harrup), отметил, что реальная структура пор гораздо сложнее сферической модели, особенно после слияния множества пор. Такая структура помогает объяснить характер реакции оболочки и причины, по которым внутри топлива можно наблюдать химические компоненты, связанные с оболочкой.

Исследование также связало морфологию пор с локальной химической средой. Команда обнаружила, что уран-обогащённые и цирконий-обогащённые области влияют на форму пор и способы их соединения. Сеть пор вблизи края топлива, с одной стороны, может обеспечивать каналы для миграции продуктов деления и лантаноидов, а с другой — изменять процесс теплопередачи, влияя тем самым на характеристики топлива и срок его службы.

Профессор ядерной науки и техники Массачусетского технологического института Эрикмор Джоссу (Eremore Jossou) заявил, что это исследование способствует более точному моделированию распределения пор в топливе и дальнейшему пониманию роли пор в безопасной эксплуатации металлического топлива. Исследовательская группа считает, что при высоких температурах взаимосвязанные поры не обязательно несут только негативные последствия; они могут обеспечивать каналы для протекания жидкого натрия внутри топлива, помогая поддерживать теплопроводность, а также могут служить путями выхода газов деления, снижая внутренние напряжения в топливной матрице.

Данное исследование финансировалось Управлением ядерной энергетики Министерства энергетики США (DOE Office of Nuclear Energy) и использовало соответствующие ресурсы Брукхейвенской национальной лаборатории и Национальной лаборатории Айдахо. Исследователи отмечают, что включение трёхмерной топологии пор в последующие модели позволит более точно оценивать тепловые характеристики, совместимость с оболочкой и долгосрочное поведение металлического топлива натриевых быстрых реакторов.