p Os cientistas da Argonne descobriram uma nova maneira de revestir materiais nucleares que apóia os esforços para minimizar o uso de urânio altamente enriquecido. p Dentro de um reator nuclear em operação, o ambiente é extremo, já que os componentes do reator são expostos a uma combinação de intensa radiação e calor, bem como a refrigerante quimicamente reativo. É por isso, a fim de operar reatores com segurança, os cientistas precisam projetar seus componentes com materiais que possam resistir a essas condições.

p Pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) fizeram uma descoberta fundamental ao usar uma técnica desenvolvida originalmente para a indústria de semicondutores como uma forma de revestir materiais nucleares. Esta técnica, chamada deposição de camada atômica (ALD), forma a base de novos métodos para proteger os combustíveis e materiais nucleares da exposição direta ao ambiente hostil do reator.

p A deposição de camada atômica - como o próprio nome sugere - permite aos pesquisadores depositar filmes atomicamente finos de um determinado material em uma superfície. Ao construir essas camadas, Os cientistas da Argonne podem formar revestimentos quimicamente precisos projetados para ter um conjunto de propriedades particulares.

p "Somos pioneiros no uso de ALD para aplicações nucleares, "disse o engenheiro nuclear de Argonne, Abdellatif Yacout, gerente do grupo de desenvolvimento e qualificação de combustível. Argonne é especialista na técnica, liderado por Argonne Distinguished Fellow Michael Pellin, foram fundamentais para esses avanços.

p Os revestimentos de combustível apoiam os esforços para minimizar o urânio altamente enriquecido

p Em um conjunto de experimentos, Os cientistas da Argonne usaram ALD para depositar nitreto de zircônio (ZrN) como um revestimento diretamente sobre pós de urânio-molibdênio (U-Mo) pouco enriquecido. O revestimento é fino o suficiente para permitir a penetração de nêutrons, enquanto protege o combustível da degradação, geralmente da interação com o alumínio (Al), um dos principais constituintes dos sistemas de combustível de um reator de pesquisa.

p Para estudar a estabilidade do revestimento ZrN recentemente desenvolvido e como ele interage com o alumínio, os cientistas realizaram vários estudos de irradiação ex situ usando íons pesados ​​(para simular danos de fragmentos de fissão) na instalação do Tandem Linac Accelerator System (ATLAS) de Argonne, um DOE Office of Science User Facility.

p Esse trabalho específico para redesenhar revestimentos para combustíveis nucleares apóia o esforço para converter reatores de pesquisa de alta potência em todo o mundo que usam urânio enriquecido (HEU) para usar combustíveis de urânio pouco enriquecido (LEU), em apoio à política nacional de minimização de HEU.

p Revestimentos de revestimento para suportar ambientes de reator

p Dois outros conjuntos de experimentos envolvendo ALD giram em torno de revestimentos, que são materiais estruturais que encapsulam os constituintes do combustível dentro de um reator nuclear.

p Alta resistência ao atrito de um revestimento nano-laminado. Este projeto usou ALD para projetar materiais de revestimento que resistiriam ao desgaste por atrito, um comportamento em conjuntos de reatores que contribui para o desgaste mecânico. "Uma maneira de resistir ao atrito é revestir a superfície do revestimento para aumentar sua dureza, "Yacout disse." Superfícies de revestimento modificadas com um revestimento ALD (por exemplo, óxido de alumínio [Al2O3]) e seguido por outros tratamentos, aumenta a dureza da superfície em quase 100 vezes.

p Resistência à oxidação em alta temperatura. Este projeto girou em torno do desenvolvimento de revestimentos para revestimentos de modo que eles possam suportar melhor as altas temperaturas dentro de um reator durante condições severas de acidentes. A equipe desenvolveu um material composto de cerâmica exclusivo, que pode ser fabricado em baixa temperatura, mas com uma microestrutura significativamente compacta.

p O desenvolvimento deste revestimento composto à base de cerâmica é um processo de duas etapas. Envolve a combinação de deposição eletroforética (EPD), um método de deposição rápido e de baixa temperatura, com ALD. Desta maneira, os pesquisadores de Argonne foram capazes de criar rapidamente um revestimento composto de cerâmica-cerâmica espesso que adere e se adapta à superfície do revestimento.

p O poder de uma técnica conjunta

p Nem EPD nem ALD como um processo de deposição por si só teria rendido um revestimento suficiente para proteger o revestimento, disse o pesquisador de Argonne, Sumit Bhattacharya. "Mesmo que ALD gere um orifício livre de orifícios, revestimento denso e aderente, a taxa de deposição é relativamente lenta. A fim de depositar a espessura que você precisa, levará dias ou até mesmo semanas, " ele disse.

p "Enquanto isso, se você só usa EPD, a camada depositada é altamente porosa, e requer sinterização de alta temperatura para se tornar densa e aderente ao substrato. Isso não é ideal, como o material de revestimento é sensível à temperatura e perderá todas as suas propriedades mecânicas. "

p Uma das principais vantagens de usar as técnicas de deposição dupla consiste na capacidade de reduzir significativamente a temperatura necessária para produzir um revestimento aderente. Geralmente, para desenvolver um compósito cerâmico denso, uma etapa de sinterização de alta temperatura é necessária. Contudo, porque o revestimento é feito de metal, a sinterização típica faria com que o substrato derretesse ou perdesse sua resistência.

p "Não só você não vai conseguir a sinterização, mas o substrato principal que você está tentando proteger será destruído, "Bhattacharya explicou.

p A combinação da técnica EPD / ALD atinge um revestimento aderente a uma temperatura de apenas cerca de 300 graus Celsius, muito mais baixa do que a temperatura de sinterização convencional necessária para tais compósitos.

p O uso de ALD oferece outro benefício essencial sobre outras técnicas de deposição, como a deposição química de vapor (CVD). Apesar de o CVD depositar mais rapidamente do que o ALD, ao fazer isso, ele bloqueia partes dos canais que precisariam ser preenchidos. Como resultado, ele deixa para trás grandes porosidades dentro do compósito. "Apenas ALD pode garantir que somos capazes de tratar todos os cantos e recantos, "Bhattacharya disse.

p A fim de testar como o revestimento pode resistir ao ambiente de irradiação do reator, os pesquisadores o bombardearam com íons pesados ​​em várias temperaturas na instalação de microscópio eletrônico de voltagem intermediária (IVEM) de Argonne. Depois, a amostra permaneceu intacta e os cientistas não encontraram alterações aparentes no nanopó e no revestimento ALD sobreposto.

p O trabalho de Argonne em ALD para aplicações nucleares foi financiado por várias organizações, incluindo o Escritório de Energia Nuclear do DOE, Administração de Segurança Nuclear Nacional do DOE; Westinghouse, e fundos de pesquisa e desenvolvimento dirigidos pelo laboratório de Argonne.