Ученые из США провели детальное исследование облученного ядерного топлива. Они использовали мощный рентген, чтобы в трехмерном виде рассмотреть, что происходит внутри топливного стержня после длительной работы в реакторе.
Объектом изучения стал сплав урана с цирконием, известный как U-10Zr. Это металлическое топливо применялось в экспериментальных реакторах на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением в 80–90-х годах прошлого века. Сейчас интерес к нему возрождается — такие материалы рассматривают для реакторов нового поколения.
Однако многие детали поведения этого топлива под действием облучения оставались неясными. Ученые знали, что в нем образуются поры, что он взаимодействует с защитной оболочкой и меняет свои свойства, но точная картина была неполной. Основная сложность была в том, что предыдущие исследования давали лишь двухмерные срезы, а не объемную картину.
Чтобы устранить этот пробел, ученые взяли образцы топлива, которое проработало в реакторе FFTF в штате Вашингтон с 1982 по 1992 год. С помощью синхротрона — гигантского ускорителя частиц — получили высокоэнергетическое рентгеновское излучение и выполнили трехмерную компьютерную томографию топлива.
Оказалось, что в центре топливного стержня поры мелкие, а ближе к оболочке они становятся крупнее и соединяются друг с другом. При этом плотность пор у края возрастает более чем в сто раз по сравнению с центром. Их форма далека от идеальных сфер — они вытянутые, извилистые и образуют целые каналы. Такая структура влияет на две важные вещи: во‑первых, она замедляет передачу тепла, а во‑вторых, открывает пути для перемещения химических элементов.
Особое внимание ученые обратили на то, что пористость связана с химическим составом окружающей среды. В участках, богатых ураном, поры формируются иначе, чем в участках с высоким содержанием циркония. Такое наблюдение сделано впервые.
С одной стороны, связанные поры могут быть полезны — через них в топливо проникает жидкий натрий, который помогает отводить тепло, а также выходят газообразные продукты деления, снижая давление внутри топливного стержня. С другой стороны, те же каналы у края стержня позволяют нежелательным веществам, включая редкоземельные элементы — лантаноиды, — мигрировать в оболочку и вызывать ее охрупчивание. Это может сократить срок службы топливной системы.
Полученные данные расходятся с некоторыми существующими компьютерными моделями. Это значит, что теперь ученые смогут уточнить расчеты и лучше прогнозировать, как топливо будет вести себя в реальных условиях. В перспективе это поможет продлить работу действующих реакторов и заложить основу для более надежных топливных систем в будущих энергетических установках.
По словам авторов работы, исследование дает инженерам тот уровень детализации, которого раньше не хватало. Независимые эксперты отметили, что сочетание трехмерной визуализации с анализом тепловых свойств открывает новые возможности для изучения не только этого, но и других видов ядерных материалов.
Читайте также: Астрономы увидели, как межзвездное пространство поглощает остатки умирающей звезды