پیشرفت در راکتور هسته‌ای آمریکا رازهای اکسید پلوتونیوم در 3000 کلوین را فاش می‌کند
دانشمندان آزمایشگاه ملی آرگون که بخشی از وزارت انرژی ایالات متحده است، کشف مهمی در مورد رفتار اکسید پلوتونیوم مایع (PuO2) در دماهای بسیار بالا تا 3000 کلوین انجام داده‌اند.
این تحقیق مهم می‌تواند بهبود زیادی در طراحی راکتورهای هسته‌ای آینده از نظر ایمنی و کارایی ایجاد کند. نیاز به این مطالعه ناشی از اهمیت حیاتی دانستن چگونگی رفتار مواد سوخت هسته‌ای در شرایط شدید است.
در سال 2014، دانشمندان آرگون توانستند ساختار دی‌اکسید اورانیوم مذاب (UO2) را، که یکی از اجزای کلیدی سوخت هسته‌ای است، اندازه گیری کنند.
با این حال، بررسی PuO2 به مراتب چالش برانگیزتر بود به دلیل مسائل ایمنی و پیچیدگی ذاتی مواد.
تکنیک نوآورانه آزمایشی
تیم تحقیقاتی از تکنیک نوآورانه‌ای استفاده کرد که نمونه‌های کوچک PuO2 را در جریان گاز معلق کرد و با لیزر گرم کرد. “نمونه‌های PuO2 به قطر حدود 2 میلی‌متر در جریان گاز معلق شده و سپس توسط یک پرتوی لیزری دی‌اکسید کربن تا حد ذوب گرم شدند”، محققان در بیانیه‌ای اعلام کردند.
“این روش به تیم اجازه داد تا ساختار نمونه‌ها را در دماهای تا 3000 کلوین بدون خطر آلودگی نمونه از تعاملات با ظروف، اندازه‌گیری کنند.”
یافته‌های این مطالعه قابل توجه بودند. با گرم کردن نمونه در دماهای مختلف با استفاده از جریان‌های گاز مختلف، محققان تغییراتی در ناپایداری و ساختار مذاب در شرایط جوی مختلف مشاهده کردند.
“ما ساختار اکسید پلوتونیوم مایع را حل کردیم و دریافتیم که برخی پیوندهای کووالانسی واقعا وجود دارند”، کریس بنمور، فیزیکدان ارشد آرگون، بیان کرد.
“ما همچنین کشف کردیم که ساختار مایع مشابه اکسید سریم است که می‌تواند به عنوان جایگزین غیررادیواکتیو استفاده شود.”
در حالی که محققان قبلاً از معلق‌سازها برای ذوب مواد در دماهای بسیار بالا استفاده کرده‌اند، استفاده از این روش با مواد سوخت هسته‌ای چالش‌های بیشتری را به همراه داشت و نیاز به سطح بالاتری از مهارت فنی و بررسی‌های ایمنی دقیق داشت.
شبیه‌سازی رفتار الکترون‌ها
علاوه بر موفقیت تجربی خود، تیم تحقیقاتی از ابررایانه‌های قدرتمند آرگون استفاده کرد.
آن‌ها مدل‌های یادگیری ماشین را برای شبیه‌سازی رفتار الکترون‌ها در این سیستم توسعه دادند که هدف آن روشن کردن مکانیزم‌های پیوند و مسائل ایمنی در استفاده از سوخت‌های اکسید مختلط در راکتورهای هسته‌ای آینده است.
مارک ویلیامسون، مدیر بخش فناوری‌های شیمیایی و چرخه سوخت آرگون، به اهمیت گسترده‌تر یافته‌های آن‌ها اشاره کرد.
“داده‌های حاصل از مجموعه ترکیبی آزمایش‌ها نه تنها اطلاعاتی با اهمیت فناوریک ارائه می‌دهند، بلکه بینش‌هایی درباره رفتار بنیادی اکسیدهای اکتینید در دماهای شدید ارائه می‌کنند.” ویلیامسون اظهار داشت.
نقش ویژه آزمایشگاه آرگون
در آزمایشگاه ملی آرگون، دانشمندان به تسهیلات تخصصی دسترسی دارند و دارای تخصص گسترده‌ای هستند که به آن‌ها امکان می‌دهد این چالش پیچیده را حل کنند.
“آرگون احتمالاً تنها جایی در جهان است که قادر به انجام این نوع آزمایش بسیار دشوار است”، بنمور تأکید کرد.
پژوهش‌های اخیر گامی بزرگ در جهت ایجاد سیستم‌های انرژی هسته‌ای ایمن‌تر و کارآمدتر برداشته است.
“این همکاری فوق‌العاده‌ای از کارشناسان بوده و نمونه‌ای عالی از چگونگی همکاری ما برای بهبود مستمر سیستم‌های انرژی هسته‌ای است.” ویلیامسون نتیجه‌گیری کرد.
