İsviçre araştırmacılar nükleer yakıt çubuklarının korozyona dayanımını 3 boyutlu X-ışınlarıyla açığa çıkardı.

İsviçre’deki Paul Scherrer Enstitüsü (PSI) araştırmacıları, yeni bir X-ışını görüntüleme tekniği kullanarak nükleer yakıt çubuklarının koruyucu kaboğlu (cladding) içindeki korozyonu 3 boyutlu olarak inceledi ve 80 nanometreden küçük gözenekleri tespit etti.

KAYNAK YAZAR verilmediği için kaynak yayına atıf yapılıyor: Interesting Engineering sitesinde aktarılan bilgilere göre, çalışma yakıt çubuklarını saran koruyucu katmanların yıllarca soğutma suyu ve radyasyon altında kaldıktan sonra etkinliğini sürdürüp sürmedigini sorguladı.

Kuyu istasyonunda hizmet vermiş cladding borularından alınan örnekler üzerinde ekip, PSI’ın Swiss Світла Source (SLS) tesisini kullanarak malzemenin iç yapısını eşledi. Borular servis sürecinde sızdırmazlığını korurken, ölçümler koruyucu oksid katmanlarının görevine devam ettiğini gösterdi.

Küçük örnekler radyasyon maruziyetini azaltır

Yakıt çubukları, korozyona yol açabilecek koşullar altında bile nükleer reaktör çalışması boyunca mühürlü kalmalıdır. Araştırmacılar bu nedenle korozyon katmanlarının ne kadar hızlı oluştuğunu ve ne kadar gözenekli hale geldiğini anlamak zorundadır.

Cladding boruları genellikle %98’den fazla zirkonyum içerir; özelliklerinin iyileştirilmesi için diğer metallerden küçük miktarlarda eklenir. İçinde reaktörlerde kullanılan yakıt çubuklarını oluşturan üst üste dizilmiş uranyum dioksit yakıt peletleri bulunur.

Çalışma, nükleer mühendislik, foton bilimi ve nötron ve myon bilimlerini kapsayan üç PSI araştırma merkezini bir araya getirdi. Enstitünün Hot Laboratuvarı’nda personel, korunan sıcak hücrelerin içinde hassas testere kullanarak kullanılmış yakıt çubuklarının cladding’inden yaprak kalınlığında kesitler kesti ve ardından odaklanmış iyon ışınıyla malzeme silindirlere şekillendi. Örnekler, operasyon sırasında cladding yüzeyinde oluşan zirkonyum oksid katmanından geldi.

İlk yazar Okan Yetik şöyle dedi: “Sonunda, küçük zirkonyum oksid silindirimizin çapı sadece 20 mikrometre oldu – çıplak gözle ancak zorlukla görülebilir bir boyut. Bir insan saçı üç ila dört kez daha kalındır.” Boyutları, radyasyon yayılımını o kadar düşük tuttu ki, örnekler özel olarak korunan sıcak hücrelerin dışında incelenebildi.

X-ışınları koruy katmanlarını ortaya çıkarır

Ekip, PSI’ın Swiss Світла Source’unda geliştirilen ptychographic X-ray computed tomography (PXCT) kullanarak bu silindirleri inceledi. Bir X-ışını ışını örneği açılı farklı açılardan noktadan noktaya tarayarak iç yapının yüksek çözünürlüklü üç boyutlu görüntülerini üretir.

Ortak yazar Andreas Menzel şunu söyledi: “80 nanometreye kadar küçük gözenekleri bile tespit edebildik.” Ölçümler ayrıca oksid katmanlarının uzun süreli kullanım sonrası koruyucu işlevlerini koruduğunu gösterdi.

SLS’de alınan ölçümlerin cladding borularındaki koruy oksid katmanlarının yıllarca kullanımdan sonra da bütünlüğünü koruduğu ve amacını sürdürdüğü belirtildi, PSI araştırmıcısı Liliana Duarte.

Laboratuvar testleri reaktör koşullarını yansıtır

Araştırmacılar, kullanılan malzemeyi otoklav içinde yüksek basınç, yüksek sıcaklık ve su altında bulunan radyasyon görmemiş cladding örnekleriyle karşılaştırdı. Reaktörde kullanılan örneklerin yoğunluğu pratik olarak otoklava alınan malzemeninkine eşittiği için standart korozyon testlerinin değeri desteklendi.

Bu araştırmacıların araştırmalar için her zaman kullanılmış cladding’e ihtiyaçları olmadığı anlamına gelir. Bulgular ayrıca operatörlerin reaktör suyu kimyasını iyileştirmelerine ve üreticilerin alaşımları ve ısıl işlem süreçlerini düzenlemelerine de yardımcı olabilir.

Teknik, küçük modüler reaktörler ve nükleer füzyon reaktörleri için bileşenlerin benzer şekilde detaylı olarak incelenmesine kapı açar. Araştırmacılar bulularını Advanced Engineering Materials dergisinde yayımladı.