Майкл Тонкс, доцент кафедры машиностроения и ядерной инженерии Университета Пенсильвании и директор Лаборатории науки и инженерии микроструктуры Университета Пенсильвании, участвует в трех проектах в рамках Университетской программы ядерной энергии (NEUP) Министерства энергетики. В рамках этих проектов исследуются новые материалы для ядерного топлива, которые могут сделать существующие легководные реакторы (LWR) более безопасными.
Все эти проекты подпадают под широкую тему аварийно-устойчивых видов топлива или топлива с повышенной устойчивостью, чтобы выдерживать потерю теплоносителя во время ядерной аварии в течение значительно более длительного времени, чем традиционные виды топлива. Дополнительное время дает операторам реактора больше времени для решения проблем, прежде чем они будут иметь серьезные последствия. Устойчивые к авариям топлива также должны иметь аналогичные или улучшенные характеристики по сравнению с нынешними видами топлива и быть рентабельными.«Проблемы с аварией на ядерном реакторе« Фукусима-дайити »на самом деле были прямыми проблемами с выбором материала для топлива и оболочки», — сказал Тонкс. «Идея состоит в том, что, возможно, мы сможем изменить топливный материал или материал оболочки, но оставить все остальное в реакторе без изменений».
Оболочка — это металл, который окружает стопку топливных таблеток и отделяет топливо от теплоносителя внутри реактора.Изменение топлива и оболочки является более экономичным и краткосрочным решением, чем замена существующих ядерных реакторов реакторами новой конструкции, и может коренным образом изменить будущее и безопасность ядерной энергетики.Ядерным топливом, используемым во всех LWR в этой стране, является диоксид урана, а материалом оболочки, используемым в этих LWR, является сплав циркония.
Эти материалы обладают свойствами, которые делают их очень хорошим выбором для использования в ядерных реакторах, и они продолжают работать хорошо. Однако у них также есть проблемы, которые мешают им хорошо выдерживать аварийные условия.Диоксид урана имеет очень низкую теплопроводность, что означает, что он удерживает тепло внутри топливной таблетки.
Мало того, что низкая теплопроводность контрпродуктивна для цели ядерного реактора по выработке тепла, она также может привести к перегреву топливных таблеток и даже к расплавлению, когда реактор теряет теплоноситель.Облицовка из циркониевого сплава очень реактивна с водой, особенно с паром, который может образовываться при нагревании охлаждающей воды в аварийных условиях. Пар вызывает его окисление и высвобождение легковоспламеняющегося газообразного водорода.Основная цель работы Тонка — понять, как микроструктура или мелкомасштабная структура материала влияет на его поведение.
В рамках этих проектов он изучает, как небольшие конструкции из потенциально новых материалов для топлива и оболочки будут вести себя в условиях реактора, особенно в условиях радиации.«Хорошо известно, что микроструктура оказывает прямое влияние на свойства материала, но мои исследования сосредоточены на суровых условиях, где из-за окружающей среды микроструктура не остается статичной, а фактически изменяется со временем», — сказала Тонкс. . «Недостаточно просто спроектировать микроструктуру, которая будет давать вам желаемое поведение. Вы должны быть уверены, что даже по мере развития микроструктуры она никогда не приведет к поведению, которое приведет к отказу вашей части или вашего реактора. . "Чтобы понять эти микроструктуры, Тонкс использует вычислительные модели для моделирования в масштабе от 1 до 10 микрон, что намного меньше, чем прядь волос.
Эти симуляции предсказывают поведение материала в различных условиях.Тонкс и его исследовательская группа участвуют в трех проектах, которые исследуют возможные альтернативы более безопасному реакторному топливу с помощью этих симуляций.
Что касается оболочки, то самое простое решение, которое они ищут, — это наложение других материалов на оболочку из циркониевого сплава. Создавая слои материалов, исследователи надеются получить сильные стороны различных металлов и устранить слабые стороны. Слоистый материал защитит оболочку от реакции с паром и образования водорода.
Однако слои могут быть более подвержены радиационному повреждению. Тонкс использует моделирование для моделирования условий в реакторе и понимания изменений, которые испытывают эти материалы.
Группа также изучает возможность полной замены материала оболочки композитом из карбида кремния. Карбид кремния обладает многими преимуществами сплава циркония и используется во многих неядерных приложениях. Он имеет дополнительное преимущество в том, что он не реагирует с охлаждающей водой, поэтому он не разлагается и не выделяет водород внутри реактора.
К сожалению, композит сложно изготовить, и он может треснуть. Тонкс использует моделирование трещин в нормальных и аварийных условиях, чтобы определить, как радиация вызывает растрескивание и могут ли эти микротрещины выходить продуктам деления.Чтобы решить проблемы теплопроводности реакторного топлива, исследовательская группа моделирует различные топливные добавки для повышения теплопроводности диоксида урана.
Тонкс сосредоточен на определении возможных побочных эффектов различных добавок при использовании в суровых условиях реактора.«Наша роль заключается в разработке моделей для этих систем», — сказала Тонкс. «Никто никогда не делал этого раньше, поэтому моделей нет. Мы разрабатываем модели с нуля, а затем используем их, чтобы помочь оценить, жизнеспособны эти концепции или нет».В частности, исследователи ищут потенциально опасные взаимодействия между новыми материалами и излучением в нормальных и аварийных условиях эксплуатации.
«Мы надеемся, что сможем применить инструменты, которые мы разработали для понимания диоксида урана и сплава циркония, но теперь расширяем их, чтобы взглянуть на эти новые материалы».Одним из основных инструментов, которые Тонкс использует для этих проектов, является мезомасштабный инструмент определения характеристик топлива под названием MARMOT, который разрабатывается Программой расширенного моделирования и моделирования ядерной энергетики США.
Тонкс была ведущим разработчиком MARMOT в Национальной лаборатории Айдахо.Работа Тонкс и его исследовательской группы поможет оценить аварийно-устойчивые виды топлива быстрее, чем если бы исследователи использовали только экспериментальные данные. Моделирование предоставляет данные дешевле и проще, чем проведение полных ядерных испытаний.
Моделирование будет направлять экспериментальную работу, выполняемую сотрудниками, путем определения видов топлива, которые, скорее всего, будут жизнеспособными, чтобы исследователи могли определить приоритетность экспериментальной работы.