Paliwo TRISO – paliwo z własną „obudową bezpieczeństwa”

Reaktory wysokotemperaturowe wykorzystują nowoczesne paliwo jądrowe typu TRISO (ang. TRIstructural-ISOtropic). Naukowcy NCBJ przeprowadzili wstępne badania odporności „osłon” kuleczek paliwowych na uszkodzenia mechaniczne. Prace prowadzone są we współpracy z Europejskim Centrum Badawczym (JRC).

Paliwo TRISO to główny atrybut i zaleta reaktorów HTR. Wykorzystuje się w nim tlenek lub węglik uranu, jako paliwo jądrowe. Materiał rozszczepialny otoczony jest czterema warstwami okrywającymi. Użycie jako budulca warstw „osłon” - węgla pirolitycznego* oraz twardego niczym diament węglika krzemu (zwanego też karborundem) - sprawia, że kuleczki paliwa wielkości ziarenka maku, są wyjątkowo odporne na uszkodzenia mechaniczne i chemiczne. Warstwy okrywające TRISO są również bardzo odporne termicznie (do 1700°C). Pozwala to utrzymywać temperaturę rdzenia reaktora – rzędu 1100°C i produkować na „wyjściu” reaktora ciepło do 700-800°C. To unikalna cecha tego reaktora: uzyskane ciepło odpowiada swoimi parametrami zapotrzebowaniom wielu dziedzin przemysłu, np. przemysłu chemicznego, petrochemii, przemysłu papierniczego itp.

Warstwy okrywające TRISO są odporne na napromieniowanie strumieniem neutronów, na korozję i utlenianie. Obecnie trwają też badania nad ich trwałością. Obecność warstw okrywających w cząsteczce TRISO pozwala utrzymywać szczelnie wszystkie radioaktywne produkty rozszczepienia uranu nie tylko w czasie pracy reaktora, ale także długo po eksploatacji. Krótko mówiąc, użyte paliwo TRISO jest bezpieczne do składowania jako odpad. Aby jednak mieć pewność co do właściwych parametrów cząsteczek TRISO otrzymanych w danej technologii produkcji, od danego dostawcy lub w konkretnej partii, celowe jest przeprowadzenie odpowiednich badań kontrolnych.

Naukowcy z NCBJ przeprowadzili eksperyment awaryjności cząsteczek paliwowych TRISO, na wstępnym etapie badań, tzn. przed umieszczeniem ich w rdzeniu reaktora. Badania przeprowadzono na próbkach zastępczych tzw. p-TRISO; w przeciwieństwie do prawdziwego paliwa, nie zawierają one uranu. Zbudowane z dwutlenku cyrkonu jądro TRISO, otoczone zostało warstwami okrywającymi. Badacze zbadali odporność kuleczki TRISO na wewnętrzne uszkodzenia mechaniczne. W celu określenia stanu poszczególnych warstw cząstek p-TRISO naukowcy przygotowali ich przekroje poprzeczne, ścinając półkule. Wykorzystano do tego celu dwie metody polerowania: standardową – mechaniczną oraz jonową – zaproponowaną przez autorów. W pierwszej metodzie stosuje się papier ścierny o rosnącej ziarnistości. Metoda jonowa polega na „bombardowaniu” kulki strumieniem jonów. Wykorzystuje się odpowiednią maskę, która zabezpiecza połowę kuleczki p-TRISO, a w drugą półkulę uderza strumień jonów argonu. W obu przypadkach na końcu pozostaje półkula dająca dostep do przekroju poprzecznego. Tak przygotowane próbki poddano wielu badaniom mikroskopowym, między innymi skaningowym mikroskopem elektronowym (ang. Scanning Electron Microscope, SEM), spektroskopii Ramana i konfokalnej mikroskopii materiałowej.

„Analizy wykazały, że polerowanie mechaniczne prowadzi do zanieczyszczenia jednej z warstw ochronnych – najbliższej jądru, porowatej warstwy buforowej” - mówi mgr inż. Zuzanna Krajewska, doktorantka z Zakładu Energetyki Jądrowej i Analiz Środowiska NCBJ. ”Zastosowanie mechanicznego polerowania powoduje rozprowadzenie polerowanego materiału po powierzchni warstwy, co skutkuje jej wygładzeniem. Natomiast metoda jonowa nie narusza struktury warstw p-TRISO, tym samym jest mniej inwazyjna od metody mechanicznej”.

Naukowcy donoszą, że zaproponowana przez nich jonowa metoda polerowania cząsteczek paliwowych, oprócz braku ingerencji w materiał, ma dodatkowe zalety przemawiające za jej stosowaniem. Między innymi możliwość użycia stałych parametrów, powtarzalność wyników, czy krótszy czas realizacji badań. Jednak najistotniejszym argumentem przemawiającym za użyciem tej metody jest brak zanieczyszczenia struktury warstwy buforowej, po jej zastosowaniu. Najbliższa jądru warstwa buforowa, charakteryzująca się strukturą porowatą, służy do mechanicznego oddzielenia jądra od kolejnych warstw okrywających. Dlatego istotne jest, by na dalszych etapach badania struktura tej krytycznej warstwy pozostała nienaruszona.

„Wstępne badania przeprowadziliśmy na kuleczkach zastępczych tzw. p-TRISO, niezawierających uranu” – informuje mgr inż. Krajewska. „Pierwsze 100 gramów właściwego paliwa TRISO jest obecnie w drodze do NCBJ z JRC Petten w ramach naszej europejskiej współpracy. W najbliższych latach będziemy prowadzić w NCBJ bardzo wszechstronne badania nad tym paliwem, aby zapewnić optymalną i bezpieczną eksploatację badawczego reaktora HTR.”

Dalsze badania na próbkach uzyskanych nowatorską metodą polerowania jonowego będą kontynuowane w kolejnych miesiącach.

„Paliwo TRISO umożliwi także w przyszłości zastosowanie w reaktorach HTR toru jako materiału paliworodnego, czyli tor będzie można efektywnie zamienić na paliwo jądrowe poprzez reakcję wychwytu neutronów wewnątrz cząsteczki TRISO” - podkreśla prof. Wacław Gudowski z Zakładu Energetyki Jądrowej i Analiz Środowiska NCBJ, współautor publikacji. „Jest to fantastyczna perspektywa reaktora powielającego bez przeróbki użytego paliwa”.

NCBJ jest partnerem Europejskiego Centrum Badawczego (Joint Research Centre – JRC), a ośrodek w Petten jest jednym z jego laboratoriów badawczych.

Tekst źródłowy: https://doi.org/10.1016/j.net.2021.12.003

*węgiel pirolityczny – produkt pirolizy (suchej destylacji) - ogrzewania („spalania” beztlenowego) w wysokiej temperaturze (900-1200°C). Powstały w wyniku tego procesu produkt jest czystszym pierwiastkowo węglem.

Opis ilustracji (Fig. 7 z omawianej pracy)

Wyniki pomiarów chropowatości próbki przepolerowanej metodą mechaniczną (rysunek A) oraz próbki przepolerowanej metodą jonową (rysunek B). Na rysunku przedstawiono: obrazy mikroskopowe wybranego obszaru warstwy buforowej, uzyskany przy pomocy SEM (obrazy nr 1) oraz wizualizację tego obszaru przy pomocy konfokalnego mikroskopu materiałowego – z zaznaczonymi regionami "a", "b", "c" (obrazy nr 2). Obrazy 3D (obrazy nr 3) przedstawiają chropowatość wybranej powierzchni. Z zaznaczonych na obrazach nr 2 regionów (a-c) wybrano trzy obszary do dalszych badań (d-f). Na powyższych obrazach widać różnice w strukturze warstwy między polerką mechaniczną – nie jest zachowana, a jonową – nienaruszona porowata powierzchnia.