Por Canuto  

Un estudio pionero del MIT y del Laboratorio Nacional de Idaho revela redes de poros tridimensionales dentro del combustible nuclear U-10Zr que podrían transformar el diseño de reactores avanzados y prolongar su vida útil.
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  • La tomografía de rayos X de sincrotrón permitió mapear en 3D las redes de poros del combustible U-10Zr irradiado en el reactor FFTF.
  • La densidad de poros aumenta más de dos órdenes de magnitud cerca del revestimiento, afectando la transferencia de calor y el transporte de materiales.
  • Los poros conectados actúan como canales para el sodio líquido y la liberación de gases de fisión, mejorando potencialmente la conductividad térmica.

Investigadores del MIT y del Laboratorio Nacional de Idaho han realizado uno de los estudios tridimensionales más detallados hasta la fecha sobre un combustible nuclear metálico específico. El material analizado es uranio aleado con circonio al 10% en peso, conocido como U-10Zr. Según MIT News, los hallazgos podrían cambiar el diseño de combustibles nucleares avanzados.

Contexto del combustible nuclear

Los reactores rápidos refrigerados por sodio generan energía a partir de barras de combustibles metálicos selladas dentro de tubos llamados revestimiento. En cada barra, el calor se mueve hacia afuera desde el centro hasta el borde y luego al revestimiento. El sodio líquido transporta ese calor para convertirlo en energía aprovechable. A medida que el reactor opera, el contacto entre el combustible y el material de revestimiento genera interacciones químicas problemáticas. Se produce una migración de materiales desde el combustible al revestimiento, incluyendo gases de fisión y elementos de tierras raras llamados lantánidos. Estos lantánidos pueden reaccionar con el revestimiento causando fragilización y daño al sistema de combustible. Los estudios previos de combustible irradiado capturaron principalmente instantáneas bidimensionales. Eso impidió a los científicos ver la escala completa de las redes de poros que influyen en la transferencia de calor y transportan materiales. Estudios anteriores también se centraron en secciones específicas como el centro del combustible o la interfaz combustible-revestimiento. El combustible U-10Zr fue probado ampliamente en reactores rápidos refrigerados por sodio históricos como el Reactor Reproductor Experimental II (EBR-II) en Idaho. También se utilizó en la Instalación de Pruebas de Flujo Rápido (FFTF) en el estado de Washington.

Metodología del estudio

Para su investigación, los científicos del MIT utilizaron muestras de combustible del reactor FFTF. Ese reactor rápido refrigerado por sodio operó de 1982 a 1992 en el estado de Washington. El Laboratorio Nacional de Idaho gestionó y preparó las muestras para el análisis. El equipo estudió las muestras utilizando tomografía de rayos X de sincrotrón de alta energía en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en Nueva York. El sincrotrón generó rayos X de alta energía que permitieron reconstruir las redes internas de poros del combustible en tres dimensiones. Los investigadores pudieron así observar cómo la porosidad, la química y las interacciones combustible-revestimiento evolucionan a lo largo del radio del combustible. Ericmoore Jossou, profesor John Clark Hardwick de Ciencia e Ingeniería Nuclear del MIT, encabezó el estudio. Anthony Harrup, posdoctorado del MIT, fue el primer autor del artículo. También participaron Riley Moeykens, los investigadores de Brookhaven Michael Drakopoulos y Nghia Vo. Colaboraron además los investigadores del INL Jana Howard, Colby Jensen y Tiankai Yao. Jossou explicó que este estudio ayuda a modelar la distribución de poros en el combustible con mayor precisión. También permite diseñar la operación segura de combustibles metálicos en reactores nucleares.

Hallazgos clave sobre los poros

Los investigadores encontraron que la porosidad aumentaba modestamente desde el centro del combustible hacia el borde. Sin embargo, la densidad de poros saltaba más de dos órdenes de magnitud en el borde junto al revestimiento. El equipo también caracterizó el tamaño y la forma de los poros. En el centro se hallaron poros pequeños que se convierten en redes de poros más grandes orientadas hacia afuera. Harrup explicó que los poros se modelan actualmente como esferas pero en realidad son más complejos. Esto es especialmente cierto cuando muchos poros se fusionan. Ese fenómeno se observa desde el centro hasta el revestimiento. Explica por qué el revestimiento reacciona de la manera en que lo hace. También explica por qué se ven químicos del revestimiento dentro del combustible. Las redes de poros hacia el borde permiten que los productos de fisión y los lantánidos se muevan. Sin embargo, ralentizan el transporte de calor. Eso impacta el rendimiento y la vida útil del combustible.

Correlaciones químicas reveladoras

Los investigadores mapearon sus hallazgos microestructurales con cambios en la química del combustible en diferentes áreas. Este análisis en profundidad fue posible gracias a métodos avanzados de imágenes computacionales. Nunca antes se había realizado con correlaciones entre entornos químicos locales y formación de poros. Resulta que el entorno, sea rico en uranio o rico en circonio, impacta la morfología y los canales de los poros. Ese hallazgo nunca se había reportado antes, destacó el equipo. La capacidad de visualizar directamente la conectividad de los poros en tres dimensiones es una ventaja significativa. Permite comprender la interacción combustible-revestimiento de una manera completamente nueva. Tiankai Yao del INL destacó la importancia de esta capacidad para mejorar el rendimiento del combustible metálico avanzado.

Implicaciones para el diseño de reactores

Los hallazgos experimentales difirieron de algunos modelos existentes sobre cómo se forman los poros y cómo se hincha el sistema de combustible. Esto podría mejorar las simulaciones para ayudar a mantener los reactores en funcionamiento por más tiempo. Los resultados también ofrecen una imagen más matizada de cómo los poros influyen en el rendimiento y la seguridad del reactor. Jossou explicó que esto ayuda a optimizar el combustible metálico actual propuesto para reactores rápidos de sodio. A alta temperatura, los poros no son del todo negativos. Descubrieron que actúan como vías para que el sodio metálico líquido fluya a través del combustible y mantenga la conductividad térmica. Los poros conectados también podrían servir como canales de liberación de gases de fisión. Eso reduce el estrés interno de la matriz del combustible. Dong Liu, profesor de la Universidad de Oxford, elogió el trabajo del grupo. Destacó que la fracción de volumen total no es el único parámetro que importa. La topología tridimensional también es relevante. Eso es extremadamente informativo para el estudio de otros tipos de materiales nucleares porosos. MIT News reportó que el trabajo fue apoyado por la Oficina de Energía Nuclear del Departamento de Energía de los Estados Unidos. La preparación de muestras se llevó a cabo en el INL a través de un Premio de Respuesta Rápida de las Instalaciones de Usuarios de Ciencias Nucleares.


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