Há muito que aprender sobre o que acontece quando a fissão ocorre dentro do combustível nuclear. Pesquisadores do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) estão fornecendo alguns novos insights sobre esse processo - sem se expor ao desafio ou aos perigos de trabalhar com materiais radioativos.
Por meio da Iniciativa de Ciência do Processo Nuclear do PNNL (NPSI), os pesquisadores usaram um material substituto não radioativo, óxido de cério, isso é muito semelhante ao combustível de óxido de urânio usado em reatores nucleares. O objetivo foi compreender e prever a formação e o crescimento de partículas metálicas em combustível nuclear irradiado utilizando o substituto dopado com cinco metais. A equipe usou microscópios avançados para caracterizar a precipitação de partículas in situ durante o tratamento térmico e irradiação iônica.
"Estudos semelhantes não foram feitos antes, "diz o cientista de materiais Weilin Jiang. A experimentação e os resultados foram relatados no jornal, "Estudo in situ de precipitação de partículas em CeO2 dopado com metal durante o tratamento térmico e irradiação de íons para emulação de combustíveis irradiados, "publicado em 8 de janeiro, 2019, edição do Journal of Physical Chemistry C .
Trazendo o calor
Ao descrever a progressão de aquecimento do óxido de cério, Jiang observa que na faixa de 800 a 1, 000 graus Celsius (C) - ou 1, 472 a 1, 832 graus Fahrenheit (F) - os pesquisadores observaram a precipitação de minúsculas partículas de metal, ou formando. Conforme a temperatura aumentou, um grande número de partículas de tamanhos semelhantes apareceu. "Então, em 1, 100 graus C (2, 012 graus F), o tamanho das partículas aumentou dramaticamente, de alguns nanômetros a cerca de 75 nanômetros - e partículas grandes tinham facetas visíveis, "Jiang explica.
Os resultados experimentais se relacionam a um gradiente de temperatura dentro de uma pelota de combustível - isto é, a zona de alta temperatura no centro cria partículas maiores do que regiões relativamente mais frias nas áreas externas. Os pesquisadores descobriram que as partículas do óxido de cério eram dominadas pelo molibdênio, que podem estar relacionados às mobilidades e concentrações das espécies metálicas individuais.
Quando Jiang e seus colegas analisaram a amostra de óxido de cério tratada termicamente após ter sido armazenada em condições ambientais, eles ainda observaram que uma camada de óxido se formou em partículas conectadas a nanobastões de óxido. Ele diz que a equipe não foi capaz de tirar conclusões sobre a observação, mas espero explorar o fenômeno no futuro.
Jiang diz que esses resultados e outras descobertas fornecem novos conhecimentos que podem ser aplicados à avaliação da mudança e do desempenho da estrutura do combustível nuclear. Ele acrescenta que, embora os reatores funcionem há décadas, muito não se sabe sobre como exatamente as partículas de metal se formam no combustível durante a fissão - embora seja sabido que precipitados e defeitos podem afetar negativamente o desempenho do combustível. Novos conhecimentos sobre a formação de partículas podem tornar possível criar projetos de combustível mais eficientes e talvez desenvolver novos materiais para aplicações relacionadas.
Colaboração e instrumentos exclusivos sustentam o experimento
A pesquisa incluiu a colaboração com uma equipe do Sandia National Laboratories (SNL) e o uso da capacidade de microscopia eletrônica de transmissão de irradiação de íons in situ do SNL. No PNNL, os pesquisadores acessaram um microscópio exclusivo no Laboratório de Ciência e Tecnologia de Materiais que possibilitou a microscopia eletrônica de transmissão de varredura e o mapeamento elementar com base em espectroscopia dispersiva de energia de alta sensibilidade (EDS). Mais especificamente, o EDS permitiu identificar os elementos químicos e apontar suas localizações no óxido de cério.
Quando o artigo de pesquisa concluído foi aceito para publicação no The Journal of Physical Chemistry C , Jiang e seus colegas foram convidados a enviar a arte da capa representando o trabalho, que foi criado pelo designer gráfico do PNNL Nathan Johnson.
A pesquisa foi um componente de um período de três anos, Projeto financiado pelo NPSI, "Ion Implantation and Characterization of Epsilon Metal Phase Formation in Ceria." O projeto se concentrou em novas abordagens para entender os efeitos da radiação no combustível irradiado, enquanto reduz os riscos devido ao alto custo, longo tempo de experimento, e questões radiológicas.
