Анализ отработавшего ядерного топлива сделает атомные реакторы эффективнее
В процессе использования урановое топливо может «набухать», что делает его опаснее. Теперь физики изучили внутреннюю структур отработавшего топлива и выяснили, при каких параметрах топлива реактор будет работать безопасно и эффективно
До сих пор исследования уранового топлива ограничивались в основном исследованием поверхности образца с помощью микроскопии или различными методами определения характеристик с использованием макетов с малой радиоактивностью. Но эти методы не позволяют получить полную картину изменений ядерного топлива в процессе его работы в реакторе.
Физики из Университета Пердью и Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США впервые смогли изучить внутреннюю структуру образца отработавшего уран-циркониевого топлива. Для этого ученым пришлось найти способ отделить от делящегося в реакторе материала достаточно маленький кусок — такой, чтобы с ним можно было безопасно работать. Использованное исследователями топливо отработало два года на испытательном ядерном реакторе FFTF и было удалено из него в 1990-х годах. Только теперь его стало возможным использовать, так как уровень радиоактивности материала упал до приемлемого.
Авторы хотели исследовать внутреннюю структуру топлива с помощью микрокомпьютерной томографии, однако все образцы топлива излучали слишком сильно, чтобы с помощью этого метода можно было хоть что-то увидеть. Чтобы уменьшить радиоактивность, исследователи использовали сфокусированный ионный пучок в паре со сканирующим электронным микроскопом для создания образца меньшего размера. Инструмент позволил ученым точно определить интересующую область и «вырезать» ее потоком ионов. Полученный образец был примерно 100 микрон в поперечнике, — не больше диаметра человеческого волоса.
С помощью одного из самых мощных источников фотонов в Аргоннской национальной лаборатории физики смогли снять образец методом трехмерной микрокомпьютерной томографии. Вращая образец и постоянно делая снимки, ученые реконструировали внутренние характеристики брикета с топливом. В результате исследователи более точно описали набухание ядерного топлива, которое происходит при его делении в реакторе. Этот эффект со временем может делать топливо опасным, но исследователи выяснили, как этого можно избежать.
Статья об открытии опубликована в Journal of Nuclear Materials.