La energía nuclear es una fuente de energía importante en los EE. UU. Y en todo el mundo y es esencial como energía limpia para reducir las emisiones actuales de carbono de los combustibles fósiles. Sin embargo, muchas personas sienten que el riesgo de accidentes nucleares no supera los beneficios asociados con la energía nuclearenergía.
Michael Tonks, profesor asistente de ingeniería mecánica y nuclear en Penn State y director del Laboratorio de Ciencia e Ingeniería de Microestructura en Penn State, participa en tres proyectos a través del Programa de la Universidad de Energía Nuclear NEUP del Departamento de Energía. Estos proyectos están explorandonuevos materiales para combustible nuclear, lo que podría hacer que los actuales reactores de agua ligera LWR sean más seguros.
Todos estos proyectos se enmarcan en el tema general de los combustibles tolerantes a accidentes, o los combustibles con mayor tolerancia para soportar la pérdida de refrigerante durante un accidente nuclear durante mucho más tiempo que los combustibles tradicionales. El tiempo extra les da a los operadores del reactor más tiempo para resolver los problemas antes de que hayagrandes consecuencias: los combustibles tolerantes a accidentes también deben tener un rendimiento similar o mejorado en comparación con los combustibles actuales y ser rentables.
"Los problemas con el accidente del reactor nuclear de Fukushima Daiichi fueron en realidad problemas directos con la elección del material para el combustible y el revestimiento", dijo Tonks. "Y la idea es que tal vez podamos cambiar el material del combustible o el material del revestimiento,pero mantén todo lo demás en el reactor igual "
El revestimiento es el metal que rodea una pila de pastillas de combustible y separa el combustible del refrigerante dentro del reactor.
Alterar el combustible y el revestimiento es una solución más rentable y de corto plazo que reemplazar los reactores nucleares existentes con reactores de nuevo diseño, y podría cambiar drásticamente el futuro y la seguridad de la energía nuclear.
El combustible nuclear utilizado en todos los LWR en este país es el dióxido de uranio y el material de revestimiento utilizado en estos LWR es una aleación de circonio. Estos materiales tienen propiedades que los hacen muy buenas opciones para su uso en reactores nucleares y continúan funcionando bien.Sin embargo, también tienen problemas que les impiden resistir bien en condiciones de accidente.
El dióxido de uranio tiene una conductividad térmica muy baja, lo que significa que atrapa el calor dentro de la pastilla de combustible. No solo la baja conductividad térmica es contraproducente para el objetivo de un reactor nuclear de generar calor, sino que también puede hacer que las pastillas de combustible se sobrecalienten e incluso se derritancuando un reactor pierde refrigerante
El revestimiento de aleación de circonio es altamente reactivo con el agua, especialmente el vapor que se puede producir si el agua refrigerante se calienta en condiciones de accidente. El vapor hace que se oxida y libera el hidrógeno de gas altamente combustible.
El enfoque principal del trabajo de Tonk es comprender cómo la microestructura, o la estructura a pequeña escala de un material, impacta el comportamiento de un material. Para estos proyectos, él está mirando cómo las estructuras a pequeña escala de nuevos combustibles y revestimientos potencialeslos materiales se comportarán cuando se expongan a las condiciones del reactor, especialmente a la radiación.
"Se entiende que la microestructura tiene un impacto directo en las propiedades del material, pero mi investigación se centra en entornos hostiles, donde, debido al entorno, la microestructura no permanece estática, sino que en realidad cambia con el tiempo".dijo Tonks. "No es suficiente diseñar una microestructura que te dará el comportamiento que deseas. Debes asegurarte de que, incluso a medida que la microestructura evolucione, nunca resulte en un comportamiento que cause tu parte o tu partereactor a fallar "
Para comprender estas microestructuras, Tonks utiliza modelos computacionales para crear simulaciones en escalas que van de 1 a 10 micras, que es mucho más pequeña que un mechón de cabello. Estas simulaciones predicen el comportamiento de un material en una variedad de condiciones.
Tonks y su equipo de investigación son parte de tres proyectos que exploran posibles alternativas para un combustible de reactor más seguro mediante el uso de estas simulaciones. En lo que respecta al revestimiento, la solución más simple que están buscando es colocar otros materiales sobre el revestimiento de aleación de circonio.Al crear capas de materiales, los investigadores esperan obtener la resistencia de los diferentes metales y eliminar las debilidades. El material en capas protegería el revestimiento de reaccionar con vapor y producir hidrógeno. Sin embargo, las capas podrían ser más propensas al daño por radiación. Tonks está utilizandomodelado para simular las condiciones del reactor y comprender los cambios que experimentan estos materiales.
El grupo también está explorando la viabilidad de cambiar completamente el material de revestimiento a un compuesto de carburo de silicio. El carburo de silicio tiene muchos de los mismos beneficios de la aleación de circonio y se ha utilizado en muchas aplicaciones no nucleares. Tiene el beneficio adicional deno reacciona con agua refrigerante, por lo que no se degradaría y produciría hidrógeno dentro del reactor. Desafortunadamente, el compuesto es difícil de fabricar y tiene el potencial de agrietarse. Tonks está utilizando simulaciones de fractura en condiciones normales y accidentales para determinar cómo la radiación induce el agrietamientoy si esas microgrietas permitirían escapar a los productos de fisión.
Para abordar los problemas de conductividad térmica con el combustible del reactor, el equipo de investigación está simulando varios aditivos de combustible para aumentar la conductividad térmica del dióxido de uranio. Tonks se centra en determinar los posibles efectos secundarios de los diversos aditivos cuando se utiliza en un entorno hostil del reactor.
"Nuestro papel es desarrollar los modelos para estos sistemas", dijo Tonks. "Nadie ha hecho esto antes, por lo que no hay modelos. Estamos desarrollando los modelos desde cero y luego usándolos para ayudar a evaluar si estos conceptos son viables".o no."
Específicamente, los investigadores están buscando interacciones potencialmente dañinas entre los nuevos materiales y la radiación en condiciones de funcionamiento normales y accidentales.
"Esperamos poder aplicar las herramientas que hemos desarrollado para comprender el dióxido de uranio y la aleación de circonio, pero ahora las extendemos para ver estos nuevos materiales"
Una de las herramientas principales que Tonks está utilizando para estos proyectos es una herramienta de rendimiento de combustible de mesoescala llamada MARMOT, que está siendo desarrollada por el Programa de Simulación y Modelado Avanzado de Energía Nuclear de EE. UU. Tonks fue el desarrollador principal de MARMOT mientras estuvo en el Idaho NationalLaboratorio.
El trabajo de Tonks y su equipo de investigación ayudará a evaluar los combustibles tolerantes a los accidentes más rápido que si los investigadores estuvieran usando datos experimentales solos. El modelado proporciona datos de manera menos costosa y más fácil que ejecutar pruebas nucleares completas. Las simulaciones guiarán el trabajo experimental completado porcolaboradores señalando los combustibles que tienen más probabilidades de ser viables para que los investigadores puedan priorizar el trabajo experimental.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Penn State College of Engineering . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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