Рентгенов поглед разкрива скрита мрежа от пори в ядрено гориво

 

Ядреното гориво не остава непроменено, докато работи в реактора. Делящите се атоми създават нови елементи, газове и дефекти; материалът набъбва, пренася топлина по различен начин и взаимодейства с металната обвивка около него. Една от най-трудните за наблюдение части на този процес е мрежата от микроскопични пори вътре в горивото.

Екип от Масачузетския технологичен институт (MIT), Националната лаборатория в Айдахо и Националната лаборатория „Брукхейвън“ е направил едно от най-подробните триизмерни изследвания досега на облъчено метално гориво U-10Zr. Това е сплав на уран с 10% цирконий по маса, изпитвана в натриево охлаждани бързи реактори и отново разглеждана за някои усъвършенствани реакторни проекти.

Пробите не са ново лабораторно гориво. Те идват от Fast Flux Testing Facility във Вашингтон — натриево охлаждан бърз реактор, работил от 1982 до 1992 г. Националната лаборатория в Айдахо съхранява и подготвя облъчения материал, а учените го изследват с високоенергийна синхротронна рентгенова компютърна томография в „Брукхейвън“.

Методът напомня медицински скенер, но използва много по-интензивни и енергийни рентгенови лъчи. От множество проекции изследователите възстановяват триизмерната вътрешна структура на горивото, без да се ограничават до плосък разрез. След това свързват формата и свързаността на порите с местния химичен състав и с преноса на топлина.

Това е важно, защото предишните модели често представят порите като отделни сфери. Реалността се оказва по-сложна. В централната част на горивото се виждат по-малки кухини, а към периферията те се сливат в по-големи, насочени навън канали. Общата порьозност нараства умерено от центъра към ръба, но непосредствено до металната обвивка броят на порите скача с повече от два порядъка.

Химичната среда също има значение. Зони, богати на уран, и зони, богати на цирконий, образуват различна морфология и различни канали. Според екипа това е първото пряко съпоставяне от този тип между локалната химия и триизмерната форма на порите в облъчено U-10Zr гориво.

Порите имат двойнствена роля. Те могат да затруднят преноса на топлина и да създадат пътища за лантаниди и други продукти на деленето към обвивката. Някои от тези елементи реагират с нея, правят я по-крехка и ограничават живота на горивната система. Затова точната геометрия на порите е пряко свързана с работните граници и безопасността.

Но кухините не са само дефект. Свързаните канали могат да позволят на течен натрий да прониква в горивото и да подпомага топлопроводността при висока температура. Те могат също да дадат изход на газообразни продукти от деленето и така да намалят механичното напрежение в горивната матрица. Важна е не само общата част празно пространство, а неговата триизмерна топология — кои пори са свързани и накъде водят.

Този детайл обяснява защо новите наблюдения се разминават с част от опростените модели на набъбване и топлопренос. По-точното описание може да помогне на инженерите да прогнозират кога горивото се доближава до своите ограничения, как взаимодейства с обвивката и как да се проектират следващи поколения метални горива.

Изследването не означава, че е създаден нов реактор или че съществуващите централи автоматично могат да работят по-дълго. U-10Zr е специфично гориво за определен клас бързи реактори, а пробите са от историческо съоръжение. Практическото приложение изисква моделите да бъдат валидирани при различни температури, степени на облъчване, геометрии и режими на работа.

Стойността на работата е по-фундаментална: тя заменя двуизмерната снимка с триизмерна карта на пътищата вътре в материала. При ядрено гориво малките кухини влияят едновременно върху топлината, химията, газовете и механичното напрежение. Да се види как са свързани означава да се разбере по-добре как горивото старее.

Проектът е подкрепен от Службата за ядрена енергия на Министерството на енергетиката на САЩ и използва специализираните инфраструктури на националните лаборатории. Резултатът показва и по-широка тенденция в материалознанието: модерните източници на рентгенови лъчи вече позволяват инженерни материали да се изучават отвътре в три измерения, вместо изводите да се правят само от отделни разрези.

 

Източници

Живейте по-добре с наука!

  • Развийте критично мислене и изградете защита срещу дезинформация.

  • Придобийте ключови умения за по-добър живот с нашите курсове във формат текст, видео и аудио.

  • Открийте новостите и иновациите в медицината.

  • Само 3 минути дневно са достатъчни, за да трансформирате живота си!

  • Всеки месец ви очаква нов брой с увлекателни статии по биология, космос, технологии, история, медицина и много други.

Изживейте науката навсякъде и по всяко време, като я четете на най-удобното за вас устройство.

 
Годишен абонамент
ВИЖ ПОВЕЧЕ
  • Безкрайно знание - списание, видеа, аудио, книги и т.н.
  • Достъп от всякъде
  • Социална мрежа за знание с хора като вас.

Създадохме платформа, която предлага курсове и ръководства, насочени към решаването на житейски предизвикателства чрез научно обосновани методи. Тя не само подпомага личностното развитие, но и предоставя ценни знания за водене на по-здравословен, успешен и пълноценен живот. Благодарение на научния подход, потребителите ще имат възможност да подобрят своето благосъстояние и да постигнат по-високо качество на живот.

БГ Наука
Powered by  GDPR Cookie Compliance
Правила на поверителност

Използваме „бисквитки“, за да персонализираме съдържанието и рекламите, да предоставяме функции на социални медии и да анализираме трафика си. Също така споделяме информация за начина, по който използвате сайта ни, с партньорските си социални медии, рекламните си партньори и партньори за анализ.

Можете да коригирате всички настройки на „бисквитките“, като отворите разделите вляво.