Em um feito que exige perseverança, tecnologia líder mundial, e muito cuidado, os cientistas usaram raios-X intensos para inspecionar o combustível nuclear irradiado. A imagem, liderado por pesquisadores da Purdue University e conduzido no Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), revelou uma visão 3D da estrutura interna do combustível, lançando as bases para melhores designs e modelos de combustível nuclear.

Até agora, os exames de urânio combustível foram limitados principalmente à microscopia de superfície ou a várias técnicas de caracterização usando versões simuladas que possuem pouca radioatividade. Mas os cientistas querem saber em um nível mais profundo como o material muda à medida que sofre fissão dentro de um reator nuclear. Os insights resultantes deste estudo, que o Journal of Nuclear Materials publicou em agosto de 2020, pode levar a combustíveis nucleares que funcionam com mais eficiência e custam menos para desenvolver.

Para obter uma visão interna do combustível urânio-zircônio estudado, os pesquisadores separaram um pouco do combustível usado, pequeno o suficiente para ser manuseado com segurança - uma capacidade desenvolvida apenas nos últimos sete anos. Então, para ver o interior desta minúscula amostra metálica, eles se voltaram para a Advanced Photon Source (APS), um DOE Office of Science User Facility localizado em Argonne.

Um estudo que está sendo feito há décadas

Antes que os pesquisadores pudessem abordar a tarefa formidável de isolar uma amostra de combustível e colocá-la sob um feixe de raios-X, eles precisavam encontrar o espécime certo. Explorando combustíveis arquivados no Laboratório Nacional de Idaho do DOE (INL), eles identificaram um combustível de urânio-zircônio que passou um total de dois anos em plena potência na Instalação de Teste de Fluxo Rápido em Hanford, Washington, e foi removido do reator no início de 1990.

"Tivemos que esperar décadas para que esse combustível esfriasse radiologicamente ou se deteriorasse, "disse Maria Okuniewski, professor assistente de engenharia de materiais na Purdue University e principal autor do artigo. "Foi literalmente o espécime mais legal que pudemos remover com base nas diretrizes de segurança permitidas no INL e APS."

Mesmo o mais fresco espécime de combustível usado ainda estava muito quente, radiologicamente falando, em seu tamanho original. Retirado de um pino de combustível maior, a amostra tinha menos de um quarto de polegada de altura, mas mediu 1, 200 milirem por hora a uma distância de 30 centímetros - um nível de radiação 240 vezes maior do que o limite permitido no APS.

Para reduzir a radioatividade, os pesquisadores usaram um feixe de íons focalizado com microscopia eletrônica de varredura no INL para criar uma amostra muito menor. A ferramenta permitiu que eles localizassem uma área de interesse e implantassem um fluxo de íons que essencialmente moeu um cubo de material. A amostra resultante tinha cerca de 100 mícrons de diâmetro, não maior que o diâmetro de um fio de cabelo humano.

"Percorremos um longo caminho com esta nova instrumentação que nos permite obter amostras que são pequenas o suficiente para serem seguras e facilmente manipuladas, "disse Okuniewski.

A minúscula amostra foi montada em um pino, envolto em um tubo de parede dupla, e enviado para Argonne, com várias verificações de radiação para garantir a segurança ao longo do caminho.

Em Argonne, a equipe de pesquisa de Purdue trabalhou com cientistas na linha de luz 1-ID-E, uma fonte de raios-X de alto brilho no APS, para examinar a amostra. O objetivo:ver como é o combustível de urânio-zircônio por dentro, depois de ter sido bombardeado com nêutrons por dois anos.

"Na verdade, estamos falando de um pedaço de poeira que você mal consegue ver a olho nu - é tão pequeno, "disse Peter Kenesei, um físico da Divisão de Ciência de Raios-X de Argonne e co-autor do estudo. "Mas este também é um material muito denso, então você precisa de uma intensidade suficiente de raios-X de alta energia para penetrá-la e estudá-la. "

A técnica usada, micro tomografia computadorizada, detecta em alta resolução o feixe de raios-X conforme ele emerge do outro lado da amostra. A partir de várias imagens tiradas enquanto o combustível era girado, computadores podem reconstruir seus recursos internos com base em como alterou o feixe de entrada, semelhante a uma tomografia computadorizada médica.

"A flexibilidade da linha de luz 1-ID-E, junto com a experiência de Argonne no manuseio seguro de materiais nucleares, nos permite projetar e conduzir um experimento único como este, "Kenesei disse.

Um olhar mais atento sobre o inchaço do combustível

Em particular, Okuniewski e seus colegas estavam interessados ​​no fenômeno do inchaço. O combustível nuclear gera energia pegando um átomo de urânio e dividindo-o em dois, e esse processo de fissão gera subprodutos como o gás xenônio e metais como paládio e neodímio. À medida que os átomos se dividem e os produtos da fissão se acumulam, o combustível cresce em volume.

A segurança e a longevidade de qualquer combustível nuclear depende da capacidade de prever o quanto ele aumentará. Muito inchaço pode fazer com que o urânio reaja com, e possivelmente fratura, sua camada externa protetora, chamado de revestimento. Para evitar que isso aconteça, engenheiros contam com códigos de desempenho de combustível, que são modelos de computador que simulam vários aspectos do comportamento de um combustível em um reator, por exemplo, quão quente ficará em temperatura e como seus constituintes se redistribuem no espaço.

"Em cada tipo de combustível, o inchaço é um problema, "Okuniewski disse." Esses combustíveis são projetados para que o núcleo interno seja livre para se expandir a um nível específico antes de tocar o revestimento. "

Além de fornecer uma visão mais clara, imagem localizada da estrutura do combustível e as diferentes fases do material que se desenvolveram ao longo do tempo, o estudo da APS revelou evidências de que a liberação de gases de fissão pode continuar ocorrendo além dos limites assumidos em análises anteriores. Este tipo de dados pode ajudar a fortalecer os códigos de desempenho de combustível, o que, por sua vez, ajudaria a reduzir o custo de desenvolvimento de combustível, uma vez que simulações de computador confiáveis ​​podem minimizar o número de testes de irradiação caros necessários.

"Estamos sempre nos empenhando na comunidade nuclear para descobrir maneiras de melhorar os códigos de desempenho de combustível, "Okuniewski disse." Esta é uma maneira de fazer isso. Agora temos uma visão tridimensional que antes não tínhamos. "