Учёные изучают поведение радиоактивного материала — без радиоактивности
Можно многое узнать о том, что происходит, когда происходит деление внутри ядерного топлива. Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) дают некоторое новое представление об этом процессе, не подвергая себя опасности или опасности работы с радиоактивными материалами.
В рамках Инициативы PNNL по ядерным процессам (NPSI) исследователи использовали нерадиоактивный суррогатный материал, оксид церия , который очень похож на топливо из оксида урана, используемого в ядерных реакторах. Цель состояла в том, чтобы понять и предсказать образование и рост металлических частиц в облученном ядерном топливе с использованием суррогата, легированного пятью металлами. Команда использовала современные микроскопы для характеристики осаждения частиц in situ во время термической обработки и ионного облучения.
«Подобные исследования ранее не проводились», — говорит материаловед Вейлин Цзян. Эксперименты и результаты были отражены в статье «Исследование in situ осаждения частиц в легированном металлом CeO2 во время термической обработки и ионного облучения для эмуляции облучающего топлива», опубликованном в журнале «Физическая химия » от 8 января 2019 года. C .
Описывая процесс нагревания оксида церия, Цзян отмечает, что в диапазоне от 800 до 1000 градусов по Цельсию (C) — или от 1472 до 1832 градусов по Фаренгейту (F) — исследователи наблюдали выделение или образование крошечных металлических частиц. Когда температура увеличилась, появилось большее количество частиц одинакового размера. «Затем, при 1100 градусах C (2,012 градуса F) размер частиц резко увеличился, с нескольких нанометров до около 75 нанометров, и крупные частицы имели видимые грани», — объясняет Цзян.
Экспериментальные результаты относятся к градиенту температуры внутри топливной таблетки, то есть высокотемпературная зона в центре создает частицы большего размера, чем относительно более холодные области во внешних областях. Исследователи обнаружили, что частицы в оксиде церия преобладали в молибдене, что может быть связано с подвижностью и концентрацией отдельных металлических частиц.
Когда Цзян и его коллеги посмотрели на образец термообработанного оксида церия после его хранения в условиях окружающей среды, они также обнаружили, что оксидный слой образовался на частицах, связанных с оксидными наностержнями. Он говорит, что команда не смогла сделать какие-либо выводы о наблюдении, но надеется изучить это явление в будущем.
Цзян говорит, что эти результаты и другие результаты дают новые знания, которые могут быть применены для оценки изменения структуры и характеристик ядерного топлива. Он добавляет, что, хотя реакторы работали в течение десятилетий, многое не известно о том, как именно металлические частицы образуются в топливе во время деления, хотя известно, что осадки и дефекты могут отрицательно влиять на характеристики топлива. Новые знания о формировании частиц могут позволить создавать более эффективные конструкции топлива и, возможно, разрабатывать новые материалы для соответствующих применений.
Сотрудничество и уникальные инструменты лежат в основе эксперимента
Исследование включало в себя сотрудничество с командой из Национальной лаборатории Сандиа (SNL) и использование возможностей электронной микроскопии in situ с помощью ионной радиации. В PNNL исследователи получили доступ к уникальному микроскопу в Лаборатории материаловедения и технологии, который позволил сканирующую просвечивающую электронную микроскопию и элементное картирование на основе высокочувствительной энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС). Более конкретно, EDS позволил идентифицировать химические элементы и точно определить их местоположение в оксиде церия .
Когда законченная исследовательская работа была принята для публикации в Журнале физической химии C , Цзяну и его коллегам было предложено представить обложку, представляющую произведение, которое было создано графическим дизайнером PNNL Натаном Джонсоном.
Исследование было одним из компонентов трехлетнего финансируемого NPSI проекта «Ионная имплантация и характеристика фазового образования эпсилон-металла в Церии». Проект сфокусирован на новых подходах к пониманию радиационных эффектов в облученном топливе , одновременно снижая риски из-за высокой стоимости, длительного времени эксперимента и радиологических проблем.
