Niezwykła, hermetyczna budowa paliwa TRISO, która została zaprojektowana po to, by wytrzymać wszystko, przez lata uniemożliwiała zajrzenie do środka bez jego fizycznego zniszczenia. Właśnie to udało się zespołowi z Oak Ridge National Laboratory w USA, który wykorzystał technikę rozpraszania neutronów, by po raz pierwszy przeanalizować wnętrze paliwa typu TRISO zawierającego HALEU, czyli wysoko wzbogacony uran o niskim wzbogaceniu. Nie jest to tylko kolejny eksperyment, a kluczowy krok w rozwoju reaktorów nowej generacji, które obiecują większe bezpieczeństwo i wydajność.
Mikroskopijne ziarnka wytrzymujące ekstremalne warunki
Chociaż pojedyncza cząstka paliwa TRISO jest wielkości ziarnka maku, jej konstrukcja przypomina miniaturową fortecę. Wewnątrz każdej z nich znajduje się rdzeń z uranu, otulony trzema kolejnymi, niezwykle wytrzymałymi warstwami z ceramiki i węgla. Ta wielowarstwowa struktura pozwala im przetrwać temperatury przekraczające 1600 stopni Celsjusza, co czyni je idealnymi kandydatami dla zaawansowanych, wysokotemperaturowych reaktorów chłodzonych gazem.
Czytaj też: Wywrócili do góry nogami podstawowe zasady. Statek zbudowany z tego materiału nie utonie
Dotychczas badanie tego typu materiałów było niezwykle trudne. Wyjątkowa twardość i konstrukcja paliwa TRISO sprawiały, że tradycyjne metody analityczne prowadziły do jego zniszczenia. Teraz naukowcom udało się zajrzeć w jego strukturę niczym przy pomocy prześwietlenia rentgenowskiego, ale bez jakichkolwiek uszkodzeń. Eksperyment przeprowadzono w ramach programu AGR, finansowanego przez Biuro Energii Jądrowej amerykańskiego Departamentu Energii.
Właśnie zastosowanie wspomnianego HALEU jest tu kluczowe. W porównaniu do tradycyjnego paliwa stosowanego w reaktorach, ten materiał pozwala na osiągnięcie znacznie wyższego stopnia wypalenia, co bezpośrednio przekłada się na produkcję większej ilości energii. Teoretycznie oznacza to dłuższe cykle pracy reaktora, mniejszą ilość generowanych odpadów i lepszą ekonomikę całego procesu. W praktyce, by te zalety w pełni wykorzystać, potrzebne było głębsze zrozumienie procesów zachodzących wewnątrz każdej cząstki.
Jak rozproszone neutrony stały się oknem do świata atomów?
Sekretem sukcesu był dostęp do specjalistycznej infrastruktury. Badania przeprowadzono w źródle spalacyjnym SNS w Oak Ridge, które generuje jedne z najintensywniejszych impulsowych wiązek neutronów na świecie. Naukowcy użyli tam dyfraktometru SNAP, a więc instrumentu zaprojektowanego do badania materiałów w ekstremalnych warunkach, znoszącego ciśnienia rzędu dziesiątek gigapaskali.
Wiązka neutronów została skierowana na nienapromieniowane jeszcze cząstki paliwa HALEU TRISO. Gdy neutrony przechodziły przez materiał, część była absorbowana przez atomy uranu, a pozostałe ulegały rozproszeniu. Ten właśnie wzór tego rozproszenia, odczytany przez czułe detektory, niósł ze sobą bezcenne informacje o wewnętrznej strukturze i składzie chemicznym paliwa, a taka nieinwazyjna metoda otwiera nowe możliwości, tym bardziej że SNAP wykorzystywany jest również do badania lodów planetarnych czy właściwości materiałów magnetycznych.
Kluczowa równowaga chemiczna decydująca o bezpieczeństwie
Sercem całego badania była analiza stanu chemicznego rdzenia paliwowego, a konkretnie proporcji między węglikiem uranu a tlenkiem uranu. To nie jest wyłącznie akademicka ciekawostka, ale kwestia fundamentalna dla bezpieczeństwa. Historycznie stosowane rdzenie z tlenku uranu miały poważną wadę, bo podczas rozszczepienia uwalniany tlen mógł reagować z otaczającym węglem, tworząc dwutlenek węgla. Nagromadzenie tego gazu prowadziło do wzrostu ciśnienia i potencjalnego uszkodzenia ochronnych powłok cząstki.
Czytaj też: Ten samolot miał utrzymać Międzynarodową Stację Kosmiczną, ale stanie się jeszcze ważniejszy
Program AGR postawił więc na rdzenie bazujące na węgliku uranu. Jego zaletą jest zdolność do absorbowania uwolnionego tlenu i przekształcania go w stabilny tlenek uranu, co eliminuje problem powstawania dwutlenku węgla. Węgliki charakteryzują się także wysoką przewodnością cieplną i temperaturą topnienia. Nie jest to jednak rozwiązanie pozbawione wyzwań. Proszek węgliku uranu jest piroforyczny, czyli może się samozapalić w kontakcie z powietrzem, wymaga specjalnego przechowywania, a jego utlenianie jest procesem silnie egzotermicznym. Dlatego tak ważne jest precyzyjne zrozumienie jego zachowania w warunkach reaktora.
Fundament dla przyszłych badań nad zużytym paliwem
Najcenniejszym wynikiem tego eksperymentu jest stworzenie tak zwanej linii bazowej, a więc dokładnego opisu stanu początkowego paliwa przed rozpoczęciem procesu napromieniowania. Dzięki tym danym naukowcy będą mogli w przyszłości precyzyjnie śledzić, jak węglik uranu zmienia się wraz ze wzrostem wypalenia w reaktorze. Jest to akurat podstawa do zaplanowania badań na już napromieniowanym paliwie, które pozwolą obserwować zmiany jego mikrostruktury w czasie rzeczywistym.
Te eksperymenty oferują cenne spostrzeżenia i kładą podwaliny pod bardziej szczegółowe modelowanie paliw TRISO. Lepsze zrozumienie, jak skład jądra wpływa na zachowanie TRISO, może ostatecznie umożliwić ulepszenia w ekonomice metod wytwarzania TRISO, prowadząc do bezpieczniejszych, bardziej wydajnych i opłacalnych technologii paliwowych – tłumaczy jeden z naukowców.
Czytaj też: Przełom w wydruku metali. Zrobili z drukarki 3D mikroskopijnego kowala do pracy “atom po atomie”
Perspektywy są obiecujące, ale realistyczne. Głębsza wiedza o procesach chemicznych w rdzeniu może w dłuższej perspektywie pozwolić na optymalizację składu paliwa, a to przełożyłoby się na niższe koszty produkcji przy zachowaniu lub nawet podniesieniu standardów bezpieczeństwa. Sukces tego projektu pokazuje również, jak kluczowe dla postępu w energetyce jądrowej są inwestycje w wielkoskalową, zaawansowaną infrastrukturę badawczą. Bez takich narzędzi wiele przełomowych badań po prostu nie byłoby możliwych do przeprowadzenia.
Co dalej z paliwem przyszłości?
Otrzymane wyniki to dopiero początek długiej drogi. Samo zrozumienie chemii świeżego paliwa to za mało. Prawdziwy test nastąpi wtedy, gdy podobne, nieinwazyjne pomiary uda się przeprowadzić na materiale, który przez długi czas pracował w ekstremalnych warunkach reaktora. Dopiero wtedy będzie można w pełni zweryfikować trwałość koncepcji TRISO z HALEU. Tutaj właśnie technika rozpraszania neutronów wydaje się idealnym narzędziem do tego zadania, oferując wgląd tam, gdzie inne metody zawiodły. Postęp jest ewidentny, ale przed przemysłem jądrowym wciąż stoi wiele praktycznych wyzwań, od optymalizacji produkcji po logistykę związaną z wrażliwymi materiałami. Ostateczny sukces tej technologii zależeć będzie od umiejętności połączenia fundamentalnych odkryć naukowych z twardą inżynierską rzeczywistością.