Урановые кристаллы покажут будущее ядерного топлива

Произнесите слово «кристаллы» — и едва ли кто-нибудь подумает о ядерном топливе. Разве что Эрик Бургетт. Профессор из Университета штата Айдахо пытается создать чистый монокристальный уран и оксид урана в своей лаборатории и искренне полагает, что эти кристаллы помогут произвести более эффективное топливо для ядерных реакторов.

Бургетт и его команда аспирантов успешно изготовили кристаллы оксида церия в качестве практики (церий можно использовать как нерадиоактивный суррогат урана или плутония). Команда показала свой первый кристалл оксида урана в июне на мероприятии, посвященном исследованиям в области науки и инженерии (RISE) в Покателло.

«Монокристалл позволяет исследователям тестировать и изучать материал в его простейшей форме», — отмечает Бургетт.

Впервые Бургетт заинтересовался кристаллами и их потенциалом в сфере ядерного топлива, будучи аспирантом Технологического института Джорджии.

Он вырастил кристалл оксида цинка для использования в нейтронных детекторах. После этого начал экспериментировать с кристаллами оксида урана и плутония.

В 2010 году он был членом команды, которая выиграла тендер у Министерства энергетики США, позволяющий производство монокристаллов оксида урана.

Ученые долгое время изучали физические характеристики оксида урана — основного топлива ядерных реакторов. Однако они рассматривали преимущественно топливные гранулы оксида урана, состоящие из нескольких кристаллитов, случайно смешанных вместе, и микроструктура которых может варьироваться от партии к партии. Такое разнообразие превращает в настоящее состязание попытку предсказать, что же на самом деле происходит в реакторе.

«Около 95 % кристаллов, составляющих оксид урана, ориентированы случайным образом. Никакого порядка», — говорит Бургетт. — «Как можно точно смоделировать топливную партию кристаллов, когда роль играет случайность? Если выращивать кристаллы, можно. Мы изучим монокристалл урана или оксида урана и выясним, как сквозь него проходит тепло. Это даст нам базу понимания того, что происходит с материалом, и понимание работы сложных структур кристаллов».

Чтобы сделать кристаллы, Бургетт и его команда раздавили топливные таблетки, выделенные INL, а после нагрели их в печи здания RISE. Как только кристаллы выросли, их убрали, осмотрели и отполировали. В процессе многодневных экспериментов кристаллы с атомами были точно выровнены. После этого можно приступать к изучению того, как проходит тепло сквозь него.

«Наша цель — создать безопасное топливо для безопасного реактора», — говорит Бургетт.

Исследователи INL в восторге от работы Бургетта и планируют покупать кристаллы урана и оксида урана. Они также будут подвергать кристаллы различным тестам, чтобы лучше понять, как ведет себя материал, по словам Рори Кеннеди, представителя INL. Понимание — ключ к производству лучшего топлива.

«Чем больше вы понимаете материал, тем лучше вы его делаете», — говорит Кеннеди. — «Эти монокристаллы позволят нам понять уран и оксид урана на элементарном уровне».

Кеннеди также отметил, что немногие люди выращивают кристаллы таким образом, а это значит, что исследования Бургетта исключительны в своем роде.

Инициативы по оснащению домов и техники безопасными ядерными реакторами проводит даже NASA.