Experiência com combustível nuclear demonstra como o óxido de plutônio líquido se comporta nas temperaturas mais altas

O acidente de 2011 na usina de Fukushima-Daiichi no Japão inspirou extensa pesquisa e análise que elevaram a energia nuclear a um padrão de segurança. Também inspirou uma série de estudos no Argonne National Laboratory do Departamento de Energia dos EUA (DOE). Cientistas querem olhar mais de perto os materiais de combustível nuclear para entender melhor como eles se comportarão em temperaturas extremamente altas.

Em 2014, usando os raios X brilhantes da linha de luz 6-ID-D na Advanced Photon Source (APS) de Argonne, uma instalação de usuário do Departamento de Ciência do DOE, uma equipe multidisciplinar mediu e publicou a estrutura do dióxido de urânio fundido (UO₂). Este material é um componente importante do combustível usado em reatores nucleares ao redor do mundo. Além de fornecer respostas, o experimento levantou questões sobre como o óxido de plutônio líquido (PuO₂) e outros combustíveis de óxido misto que estão sendo considerados para uso em reatores de próxima geração se comportariam em temperaturas igualmente altas.

Estudo experimental de PuO₂ levanta muitas outras preocupações de segurança. No entanto, a equipe em Argonne acreditava que havia uma necessidade fundamental de dados para óxidos de actinídeos. Eles assumiram a difícil tarefa de projetar um experimento que pudesse superar os desafios complexos que acompanham o estudo de PuO₂.

Os resultados do trabalho deles ajudarão cientistas e engenheiros a modelar, projetar e construir sistemas de energia nuclear limpa que darão continuidade a um legado de segurança impressionante.

A equipe de engenheiros químicos e físicos de Argonne, em colaboração com Stephen Wilke e Rick Weber da Materials Development, Inc., e outros, publicou os resultados de seu experimento, “Estrutura de fusão de óxido de plutônio e covalência”, na edição de abril de 2024 da Materiais da Natureza.

“Argonne é provavelmente o único lugar no mundo capaz de realizar esse tipo muito difícil de experimento”, disse o físico sênior da Argonne, Chris Benmore. “Demonstramos a prova de princípio em 2014 com UO₂e levou até agora para expandir a capacidade de PuO₂. Os experimentos envolvem instrumentação complexa operando em condições extremas.”

Benmore ajudou a projetar a câmara de raios X experimental, realizar as medições de raios X e analisar e modelar os dados de raios X. Mark Williamson, diretor da divisão Chemical and Fuel Cycle Technologies (CFCT) da Argonne, auxiliou no projeto da câmara e na análise de segurança para os experimentos APS e orientou uma equipe CFCT que sintetizou as amostras para os experimentos. A Materials Development, Inc. desenvolveu o instrumento para as medições e fez os ajustes de segurança necessários que tornaram o instrumento mais adequado para o PuO₂ experimentar.

Flutuou como uma borboleta, depois picou como uma abelha

Amostras de PuO₂ medindo cerca de 2 mm de diâmetro foram levitados em um fluxo de gás e então aquecidos por um feixe de laser de dióxido de carbono até derreterem. Isso permitiu que a equipe medisse a estrutura das amostras em temperaturas tão altas quanto 3.000 K sem arriscar a contaminação da amostra por interações com o recipiente. As amostras inicialmente pareciam cinza fosco. Após o aquecimento, elas eram pretas brilhantes. O aquecimento da amostra em diferentes temperaturas em diferentes fluxos de gás revelou mudanças na volatilidade do derretimento e na estrutura em várias atmosferas.

“Nós resolvemos a estrutura do óxido de plutônio líquido e descobrimos que alguma ligação covalente estava de fato presente”, disse Benmore. “Nós também descobrimos que a estrutura líquida era similar ao óxido de cério, que pode ser usado como um substituto não radioativo.”

O autor principal Stephen Wilke, da Materials Development Inc., acrescentou: “As pessoas usaram levitadores para derreter materiais em temperaturas extremamente altas, mas levar essa técnica para o estudo de materiais de combustível nuclear, onde há outras preocupações, exigiu um nível muito mais alto de sofisticação e revisão de segurança. Acho que valeu a pena em grande parte.”

Outro resultado emocionante do experimento envolveu o uso de dados de raios X para desenvolver aprendizado de máquina em um supercomputador no Laboratory Computing Resource Center de Argonne. A equipe conseguiu modelar o que todos os elétrons no sistema estão fazendo com precisão mecânica quântica. Este trabalho pode lançar mais luz sobre a natureza dos mecanismos de ligação e ajudar a determinar os parâmetros de segurança do uso de combustíveis de óxido misto em futuros reatores.

“Os dados do conjunto combinado de experimentos não só fornecem informações de importância tecnológica, como também fornecem insights sobre o comportamento fundamental dos óxidos de actinídeos em temperaturas extremas”, disse Williamson. “Esta tem sido uma colaboração fantástica de especialistas e é um excelente exemplo de como trabalhamos juntos para melhorar continuamente os sistemas de energia nuclear.”