المختبر الوطني الأمريكي في أيداهو ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يكشفان توزيع المسامية في وقود U-10Zr

أخبار ar.wedoany.com، أنجز المختبر الوطني في أيداهو (Idaho National Laboratory) بالتعاون مع معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (Massachusetts Institute of Technology) دراسة ثلاثية الأبعاد للمناطق الشعاعية في وقود U-10Zr (سبائك اليورانيوم-10% زركونيوم) بعد التشعيع، كشفت عن سلوك تمدد المادة، وخصائص نقل الحرارة، وآليات تفاعلها مع غلاف الوقود بعد التشغيل داخل المفاعل. وقد استُخدمت سبائك U-10Zr على نطاق واسع في اختبارات الوقود لمفاعلات الصوديوم السريعة التاريخية، وتُعد حاليًا مادة وقود مرشحة للجيل القادم من المفاعلات المتقدمة.

وفقًا لما ذكره معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، فإن العينات المستخدمة في الدراسة مأخوذة من وقود استُخدم في مفاعل مرفق اختبار التدفق السريع (Fast Flux Test Facility, FFTF)، الذي عمل بين عامي 1982 و1992 في موقع هانفورد (Hanford Site) بولاية واشنطن. أُجريت التجارب في المختبر الوطني بروكهيفن (Brookhaven National Laboratory)، حيث استخدم الفريق تقنية التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية عالية الطاقة من مسرّع السنكروترون لتحليل شبكات المسام المتكونة تحت ظروف التشعيع والتغيرات الكيميائية في الوقود.

صرّح البروفيسور إريك مور جوسو (Ericmoore Jossou) من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن هذه الدراسة تجعل محاكاة توزيع المسام في الوقود أكثر دقة، وتعمّق الفهم بدور المسام، مما يمكن أن يدعم تصميم التشغيل الآمن لوقود المعادن في المفاعلات. وفي دراسة سابقة نُشرت عام 2020، أجرى فريق من جامعة بيردو (Purdue University) أول توصيف ثلاثي الأبعاد لوقود U-10Zr المشعع، حيث درس عينات دقيقة مستخرجة من قضبان وقود FFTF، وحدد أن 7.2% من حجم عينة الوقود كانت مسامًا، وتمكن من تحديد ثلاث مناطق طورية لليورانيوم: منطقة فقيرة باليورانيوم، ومنطقة وسيطة، ومنطقة غنية باليورانيوم.

في هذه الدراسة الجديدة، أخذ الباحثون عينات من مواقع متعددة عبر المقطع العرضي الكامل للوقود، واختاروا أربع مناطق متفاوتة في محتوى الزركونيوم للتحليل. وقد قصف الباحثون العينات بأشعة سينية عالية الطاقة ورصدوا التغيرات الناتجة عن تفاعلها، ثم أعادوا بناء شبكة المسام داخل الوقود في الفضاء ثلاثي الأبعاد، وحددوا تطور المسامية والتركيب الكيميائي وتفاعل الوقود مع الغلاف على امتداد نصف قطر الوقود.

وفقًا لما ذكره معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، أظهرت النتائج أن المسامية تزداد بشكل معتدل من مركز الوقود نحو الحافة، بينما تشهد المنطقة الحافة القريبة من الغلاف قفزة في كثافة المسام تتجاوز مرتبتين من حيث الحجم. وأظهر توصيف حجم وشكل المسام أن المسام الصغيرة في المنطقة المركزية تمتد نحو الخارج، لتشكل تدريجيًا شبكات مسام كبيرة تتجه نحو حافة الوقود.

أوضح جوسو أن نواتج الانشطار، بما في ذلك الغازات والعناصر اللانثانيدية، تهاجر نحو الغلاف وتتفاعل معه، مما يؤدي إلى هشاشة الغلاف والإضرار بنظام الوقود، وتلعب شبكات المسام دورًا في تعزيز هذه العملية. غير أن الدراسة أظهرت في الوقت ذاته أن المسام يمكن أن تعمل تحت درجات الحرارة المرتفعة كممرات لتدفق الصوديوم السائل، مما يحسّن نقل الحرارة؛ كما يمكن للمسام المتصلة أن تعمل كقنوات لتحرير غازات الانشطار، مما يخفف الإجهاد الداخلي في مصفوفة الوقود.

أشار أنتوني هاروب (Anthony Harrup)، باحث ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، إلى أن المسام في النماذج الحالية تُبسَّط على أنها كريات، لكن الوضع الفعلي أكثر تعقيدًا بكثير، خاصة عندما يحدث اندماج لأعداد كبيرة من المسام؛ وتوجد هذه الظاهرة على امتداد الاتجاه من مركز الوقود إلى الغلاف، وهو ما يفسر حدوث تفاعلات معينة في الغلاف ووجود مواد كيميائية من الغلاف داخل الوقود.

يرى الباحثون أن عدد المسام وتوزيعها عاملان مهمان لفهم أداء الوقود وعمره التشغيلي. وتوجد فروق بين الملاحظات التجريبية والنماذج القائمة لتكوين المسام وتمدد نظام الوقود، ومن المتوقع أن تسهم هذه الفروق في تحسين أساليب المحاكاة، مما يدعم بدوره إطالة العمر التشغيلي للمفاعلات.

قال هاروب إن الدراسة، من خلال طرق التصوير الحاسوبية المتقدمة، ربطت البيئة الكيميائية المحلية بتكوين المسام، وكشفت تأثير البيئات الغنية باليورانيوم أو الزركونيوم على شكل المسام وبنية القنوات، وهي ظاهرة لم يسبق الإبلاغ عنها. وأشادت البروفيسورة دونغ ليو (Dong Liu) من جامعة أكسفورد (Oxford University) - التي لم تشارك في هذه الدراسة - بالعمل، معتبرة أنه يربط المسامية ثلاثية الأبعاد بالأداء الحراري للوقود، ووصفت النتائج بأنها مثيرة للإعجاب. وقال الباحث تيانكاي ياو (Tiankai Yao) من المختبر الوطني في أيداهو إن المراقبة المباشرة لاتصال المسام وتفاعل الوقود مع الغلاف في الفضاء ثلاثي الأبعاد توفر مرجعًا مهمًا لتحسين أداء الوقود المعدني المتقدم لمفاعلات الصوديوم السريعة.