Primera mirada mundial a la escala atómica de un futuro combustible nuclear muestra cómo el cromo puede mejorar el rendimiento
Por primera vez en el mundo, una investigación colaborativa ha demostrado que un material que podría agregarse al combustible avanzado se acumula en ciertas regiones, dándole propiedades deseables. Utilizando los increíblemente potentes microscopios del Laboratorio Nuclear Nacional del Reino Unido, la Universidad de Bangor en Gales ha ayudado a analizar los combustibles fabricados por Westinghouse.
Los resultados publicados en Journal of Nuclear Materials ayudarán a tomar decisiones sobre futuras tecnologías de reactores.
La estructura del combustible nuclear.
Cuando observas cómo encajan los átomos, muchos materiales tienen una estructura cristalina. De la misma manera que el carbono puede formar diamantes, los metales y los óxidos metálicos pueden formar cristales. Estos cristales son diminutos, normalmente de no más de unas pocas decenas de micrómetros de diámetro, y encajan entre sí con orientaciones aleatorias. Cada cristal se denomina grano. El tamaño, la forma y la composición, así como la forma en que encajan, afectan las propiedades de un material.
Algunos tipos de combustible nuclear se elaboran a partir de dióxido de uranio, un polvo que se prensa y calienta en un proceso conocido como sinterización para formar una pastilla sólida. El dióxido de uranio se ha utilizado en reactores nucleares de todo el mundo durante décadas. Es probable que en el futuro los reactores avanzados realicen algunos ligeros cambios en el combustible, como forma de mejorar el rendimiento del reactor.
Dave Goddard, investigador en fabricación de combustible y líder técnico superior del Laboratorio Nuclear Nacional, dice: «El combustible nuclear se ha desarrollado durante décadas y, a medida que evolucionan las técnicas analíticas, tenemos nuevas oportunidades para recopilar más información que puede conducir a conocimientos aún mayores».
«Un aspecto de este desarrollo es observar cómo la adición de elementos químicos como el cromo podría agregarse al combustible, lo que tendría muchos beneficios. Ser capaz de observar el combustible a escala atómica es un logro verdaderamente notable que ha sido posible. a través de esta colaboración entre NNL, la Universidad de Bangor y Westinghouse».
Se podría añadir óxido de cromo al combustible para mejorar el proceso de sinterización, lo que daría lugar a una pastilla más densa y con granos más grandes. Dado que el objetivo final de un reactor nuclear es producir calor que pueda utilizarse para otros procesos, como generar electricidad con bajas emisiones de carbono, los granos más grandes ayudan con la transferencia de calor.
Pueden existir pequeños espacios entre los granos. Aunque no tienen más que unos pocos átomos de espesor, son suficientes para afectar la forma en que se transfiere el calor a través de la pastilla de combustible y proporcionan espacio para que algunos gases se escondan. Los granos más grandes significan que cada pastilla contiene menos granos y entonces habrá menos espacios pequeños.
Según el profesor Simon Middleburgh de la Universidad de Bangor, «los científicos saben desde hace tiempo que la adición de cromo mejora el proceso de sinterización y, aunque los modelos han sugerido que esto puede deberse al cromo asentado en los bordes de los granos, nadie había «Miré el combustible lo suficientemente de cerca como para dar una idea definitiva de lo que está pasando».
