Bestraling verandert hardheid van beschermlagen in TRISO-kernbrandstof

Onderzoekers van het Amerikaanse Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hebben de mechanische eigenschappen gemeten van bestraalde TRISO-splijtstof. Voor het eerst keken ze niet naar het deeltje als geheel, maar naar de afzonderlijke beschermlagen die de radioactieve kern omhullen. De metingen leveren nieuwe data op over hoe deze lagen zich gedragen nadat ze in een reactor zijn blootgesteld aan straling.

TRISO staat voor tristructural isotropic fuel: een splijtstofkorrel omgeven door meerdere coatinglagen. Van binnen naar buiten bestaat de structuur uit een poreuze koolstofbuffer, een laag pyrolytisch koolstof, een laag siliciumcarbide en nog een laag pyrolytisch koolstof. Deze gelaagde opbouw moet radioactieve splijtingsproducten binnenhouden en bestand zijn tegen de extreme temperaturen in geavanceerde gasgekoelde reactoren. Vooral de siliciumcarbidelaag is cruciaal: die vormt de belangrijkste barrière tegen het ontsnappen van metalen en gasvormige splijtingsproducten.

Metingen laag voor laag

Voor het onderzoek gebruikten de wetenschappers een geïnstrumenteerde indentatiesystem dat speciaal is gebouwd voor bestraald materiaal en kernbrandstof. Daarmee testten ze deeltjes uit het Advanced Gas Reactor Fuel Development and Qualification Program, een langlopend Amerikaans testprogramma voor deze splijtstoftechnologie. De techniek werkt door met een minuscule punt in het materiaal te drukken en te meten hoeveel weerstand het biedt; zo berekenen onderzoekers hardheid en elasticiteitsmodulus, een maat voor stijfheid.

Uit de tests bleek dat de siliciumcarbidelaag na bestraling een lagere modulus en hardheid heeft dan in ongebruikte toestand. Ook de lagen pyrolytisch koolstof, aan de binnen- en buitenkant van de splijtstofkorrel, veranderden meetbaar van mechanische eigenschappen. Volgens Katherine Montoya, onderzoeker bij ORNL's Particle Fuel Forms-groep, maken zulke metingen het mogelijk om de oorspronkelijke, fabrieksverse toestand van een deeltje te vergelijken met het gedrag na bestraling bij verschillende temperaturen en afbrandniveaus.

Belang voor nieuwe reactoren

De metingen sluiten aan op eerder dit jaar uitgevoerd neutronenverstrooiingsonderzoek van ORNL naar TRISO-deeltjes met HALEU, hoogverrijkt laagverrijkt uranium. Waar dat onderzoek zich richtte op de chemische samenstelling binnen de splijtstof, gaat het over de mechanische respons van de coatinglagen. HALEU bevat meer uranium-235 dan de brandstof in de meeste huidige commerciële reactoren en wordt ontwikkeld voor diverse geavanceerde reactorontwerpen, waaronder de hogetemperatuur-gaskoelreactor.

Door de eigenschappen van bestraalde coatings rechtstreeks te meten en te vergelijken met ongebruikt materiaal, kunnen de onderzoekers hun data invoeren in modellen die het gedrag van splijtstof voorspellen. Dit soort postbestralingsonderzoek moet een belangrijk gat dichten tussen hoe TRISO-brandstof wordt gefabriceerd en hoe ze zich werkelijk gedraagt tijdens gebruik in een reactor, en draagt zo bij aan de bredere inzet van gasgekoelde reactortechnologie.