Исследователи Массачусетского технологического института совместно с Айдахской национальной лабораторией провели детальное 3D-исследование облученного металлического ядерного топлива U-10Zr — сплава урана с 10% циркония. Ученые изучили, как в материале после работы в реакторе формируются поры и меняется химический состав. Эти процессы влияют на расширение топлива, передачу тепла и его взаимодействие с защитной оболочкой.
Для анализа использовали образцы из реактора Fast Flux Testing Facility, работавшего в штате Вашингтон в 1982–1992 годах. Их исследовали методом высокоэнергетической синхротронной рентгеновской томографии в Брукхейвенской национальной лаборатории. Результаты работы опубликованы в научной статье.
Специалисты установили, что пористость топлива немного возрастает от его центра к краю. При этом рядом с оболочкой плотность пор увеличивается более чем на 2 порядка. В центральной части материала преобладают небольшие поры, а ближе к краю они объединяются в более крупные сети, направленные к оболочке.
Такие каналы способствуют перемещению продуктов деления и лантаноидов, но одновременно могут замедлять перенос тепла. Исследование также показало связь между формой пор и составом отдельных участков топлива. В зонах с преобладанием урана и циркония поровые структуры формируются по-разному.
Полученные данные расходятся с частью существующих моделей образования пор и расширения топлива. По мнению авторов, это позволит точнее рассчитывать работу металлического топлива в быстрых реакторах с натриевым теплоносителем. Связанные между собой поры при высокой температуре могут обеспечивать движение жидкого натрия внутри топлива и вывод газообразных продуктов деления, снижая внутренние напряжения.
