Como gran parte del resto del mundo, miles de científicos e ingenieros vieron en marzo de 2011 cómo explotaron los reactores nucleares japoneses de Fukushima Daiichi. La cadena de eventos comenzó cuando un terremoto de magnitud 9.0 en la costa de Tohoku causó un tsunami que destruyó la capacidadpara enfriar los elementos combustibles en los reactores.
El revestimiento del combustible, una aleación de circonio utilizada para contener el combustible y los productos de fisión radiactiva, reaccionó con agua hirviendo refrigerante para formar gas hidrógeno, que luego explotó, lo que resultó en el mayor desastre relacionado con la energía nuclear desde Chernobyl.
Desafiados por este evento, dos equipos de investigación han progresado en el desarrollo de revestimientos de combustible que son capaces de soportar las altas temperaturas resultantes de un Accidente por Pérdida de Refrigerante LOCA, como eso en Fukushima. Ambos equipos presentarán sus resultados en el AVS62º Simposio y Exposición Internacional, celebrados del 18 al 23 de octubre en San José, California
Prueba de nuevos revestimientos de combustible: fusión de modelos y experimentos
En el Instituto de Tecnología de Illinois, Jeff Terry y sus colegas están tratando de determinar si el carburo de silicio podría ser un revestimiento adecuado, al tiempo que reduce la posibilidad de explosiones de hidrógeno. El revestimiento de combustible nuclear evita que los productos de fisión radiactiva escapen al refrigerante, y deben conteneren condiciones extremas que pueden estar presentes durante los accidentes. Con ese fin, los investigadores han llevado a cabo uno de los primeros experimentos para describir las propiedades físicas y químicas de los elementos radiactivos en el carburo de silicio en condiciones de accidente.
El enfoque de Terry combina teoría y experimento, utilizando recursos de varios laboratorios e instituciones nacionales para cerrar la brecha entre las predicciones de modelos y datos experimentales de mediciones anteriores y más aplicadas. "Estos entornos complejos a menudo son difíciles de predecir teóricamente. Nuestros colaboradoresEn el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, hemos realizado un trabajo maravilloso al predecir la reactividad de los productos de fisión en superficies de carburo de silicio monocristalino modelo ", explicó Terry.
Lo que Terry necesitaba era una forma de medir la posición real de los elementos en los materiales, de modo que se pudiera probar la precisión de los modelos. En IIT, el grupo puede crear los materiales del modelo utilizados en los cálculos y determinar experimentalmente el entornode cada elemento, tanto en los materiales del modelo como en los revestimientos de combustible irradiado.
"Ya no es práctico probar cada elemento en un reactor nuclear hasta el fallo", dijo Terry. "Necesitamos tener modelos que predigan lo que realmente sucederá". Para avanzar en el desarrollo de modelos más confiables, el equipo de investigación utilizóEl sistema de deposición por láser pulsado PLD de IIT para hacer crecer películas de superficies modelo similares a las utilizadas en el esfuerzo de modelado.
Las mediciones de sincrotrón de las películas modelo realizadas con PLD se comparan con los materiales combustibles complejos que se irradian en los reactores nucleares, para determinar la química que se produce en el material y comprender el destino de varios productos de fisión en la capa de barrera de carburo de silicio.En última instancia, esto proporcionará a los modeladores los datos que necesitan para predecir mejor lo que sucederá durante los accidentes. El siguiente paso para los investigadores es combinar el conocimiento derivado de la espectroscopía en el sincrotrón IIT con las mediciones de microscopía que se realizan actualmente en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge.
Puede ver un video del equipo explicando su trabajo en el siguiente enlace: http://www.youtube.com/watch?v=kpYBmG4DK7g
Combustible nuclear con revestimiento de diamante
Un esfuerzo separado, también inspirado por el desastre en Japón, está dirigido por Irena Kratochvílová del Instituto de Física de la Academia de Ciencias de la República Checa. Kratochvílová, František Fendrych y un equipo de científicos e ingenieros del Instituto de Física,En colaboración con Westinghouse y la Universidad Técnica Checa, han desarrollado una nueva tecnología que protege la superficie de los revestimientos de combustible del reactor nuclear y han depositado una capa de diamante homogénea de la fase gaseosa en plasma de microondas que aísla el material del revestimiento nuclear del entorno del reactor nuclear.
"La capa de diamante ofrece muchas ventajas. Además de los granos de diamante, contiene carbono amorfo, por lo que es fuerte y flexible, proporcionando un revestimiento que es mecánicamente duradero y puede adaptarse a la expansión térmica durante la operación del reactor", explicó Kratochvílová.
"La deposición química de vapor de películas de diamante policristalino [PCD] es un método poderoso que nos proporciona la manera de cubrir de manera homogénea cualquier material tridimensional con una película de diamante de alta calidad", dijo Peter Ashcheulov, del Instituto de Física AS CR.Más recientemente, el equipo depositó con éxito una capa de diamante policristalino compuesto de 300 nanómetros nm.
Con su alto contenido de diamantes cristalinos y su baja rugosidad, PCD puede proteger contra la oxidación indeseable y consolidar la estabilidad química del revestimiento, al tiempo que preserva su funcionalidad. Después de la irradiación con un haz de iones probado en la Universidad Texas A&M, la película de diamante retuvo una estructura estructural satisfactoriaintegridad. Incluso a temperaturas superiores a 850 grados Celsius, la superficie Zircaloy2 podría protegerse eficazmente contra la corrosión causada por el vapor caliente.
Los próximos pasos serán críticos para realizar el potencial de esta tecnología ". Por ahora, todas las pruebas se realizaron en entornos que imitan la presencia de revestimientos recubiertos de diamante dentro del reactor nuclear. Sin embargo, las pruebas avanzadas en reactores reales sonimaginado ", dijo Ashcheulov." Esto puede ayudarnos a avanzar no solo en la tecnología y los procesos de recubrimiento de diamantes, sino también en el uso específico del diamante policristalino como material anticorrosivo funcional en la industria de la energía nuclear ".
Ambos grupos de investigadores esperan que su trabajo conduzca a un combustible nuclear tolerante a accidentes que haga que los desastres como ese en Fukushima sean mucho menos probables y que la producción de energía nuclear sea un proceso más seguro.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por AVS: Ciencia y tecnología de materiales, interfaces y procesamiento . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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