マサチューセッツ工科大学 (MIT) の研究者はアイダホ国立研究所 (INL) の科学者と協力し、ウラン燃料の最も詳細な三次元分析を行い、その内部に隠された孔隙ネットワークを発見しました。これらの発見は、燃料が原子炉内でどのように機能するかについての新たな洞察を提供し、原子炉の運転寿命を延ばすのに役立つでしょう。核分裂は広く研究されているプロセスであり、私たちはしばしばそれを利用して大量のエネルギーを抽出します。しかし、核燃料の具体的な動作メカニズムは依然として不明であり、特にウラン合金 (U-10Zr) のような金属燃料においても、10% のウランを含む合金は、ナトリウム冷却高速炉で最も広く研究されている金属燃料です。
U-10Zr が次世代の先進的な原子炉における潜在的な燃料としての人気が高まる中、研究者たちはその核分裂炉内での具体的な変化をさらに研究することを決定しました。彼らは INL とブルックヘブン国立研究所 (BNL) と連携し、燃料と被覆材料との相互作用に関する新たな洞察を得ました。
研究者はウラン燃料の孔隙ネットワークが原子炉性能に重大な影響を与えることを発見
ナトリウム冷却高速炉内では、核燃料は棒状に配置され、被覆材料と呼ばれる管内に密封されています。各棒内の熱は中心から外側に伝導され、被覆材料に到達し、その後、液体ナトリウムによって収集され、電力を生成するために取り去られます。原子炉の運転中、燃料の被覆材料との接触により化学反応が生じ、特定のガスや希土類元素と呼ばれるランタニウム系元素が生成され、これらの物質は被覆材料を脆くし、燃料システムに損害を与えます。研究者たちは1982年から1992年の間に高速流量試験施設の原子炉で使用された燃料サンプルを利用し、高エネルギーシンクロトロンX線トモグラフィー技術を用いて、燃料の内部孔隙ネットワークの三次元構造を再構築し、孔隙率、化学成分、燃料と被覆材料との相互作用を理解しました。
研究者たちは、燃料の孔隙率の増加は限られているものの、被覆材料に近い孔隙密度が2桁以上増加したことを発見しました。これらの孔隙ネットワークは非常に重要で、核分裂生成物やランタニウム系元素の流れを可能にしますが、同時に熱の伝導を遅くします。これが核燃料の性能と寿命に影響を与えます。INL の Tiankai Yao は次のように述べています。「孔隙の連結性と燃料被覆材料との相互作用を三次元で直接可視化できることは、ナトリウム高速炉の先進的な金属燃料性能を改善するための重要な洞察を提供します。」実験結果が以前に提案された孔隙形成モデルと異なるため、研究者たちはこれらの結果がシミュレーションに役立ち、原子炉の運転寿命を延ばすことを期待しています。
マサチューセッツ工科大学の核科学および工学の教授である Ericmoore Jossou は、記者会見で次のように説明しました。「高温下では、孔隙は必ずしも悪いことではなく、私たちはそれらが液体ナトリウム金属が燃料内を流れるための通路として機能し、熱伝導率を維持することができることを発見しました。」連結した孔隙は、核分裂ガスの放出通路としても機能し、内部燃料基質のストレスを軽減する可能性があります。これらの発見は、次世代ナトリウム冷却高速炉のより良い燃料システムの設計にも役立つでしょう。研究結果は『Materials Today』誌に発表されました。