محققان آمریکایی سوخت تجاری را از دی اکسید اورانیوم HALEU تولید می کنند

اخبار – در حالی که جهان برای انرژی بدون کربن فشار می آورد، توسعه دهندگان راکتور هسته ای آمریکایی با مجموعه ای از طرح های راکتور پیشرفته پاسخ داده اند.

این راکتورها گرما و الکتریسیته کارآمد و انعطاف پذیر تولید خواهند کرد. انرژی هسته‌ای از راکتورهای آب سبک در حال حاضر یکی از ایمن‌ترین اشکال تولید برق است و پیشرفته‌ترین راکتورها از سیستم‌های ایمنی متکی بر قوانین فیزیک استفاده می‌کنند تا عملاً احتمال وقوع یک حادثه جدی را از بین ببرند.

برای انتقال این طرح‌ها از تخته نقشه‌کشی به استقرار تجاری در سراسر جهان، محققان و صنعت باید آن‌ها را در آزمایش‌های دقیقی قرار دهند که عملکرد و ایمنی آن‌ها را ثابت کند. این امر به ویژه در مورد سوخت های هسته ای جدید و بسیار کارآمد که انرژی این راکتورها را تامین می کنند صادق است.

محققان آمریکایی اخیراً سوخت HALEU را برای نسل بعدی راکتورهای هسته ای توسعه داده اند که گام مهمی در فرآیند آزمایش و صلاحیت است.

در اوایل سال 2023، محققان تقریباً دوجین گلوله دی اکسید اورانیوم (UO) ساختند.₂) HALEU – که مخفف اورانیوم کم غنی شده با سنجش بالا است – در آزمایشگاه ملی آیداهو تاسیسات آزمایشی سوخت در مجتمع مواد و سوخت.

سوخت HALEU مزایای عمده ای نسبت به سوخت راکتور آب سبک معمولی دارد، از جمله زمان چرخه راکتور طولانی تر، تولید ضایعات کمتر و زمان توقف سوخت گیری کمتر. آدریان واگنر، مهندس متالورژی و رئیس گروه ساخت پیشرفته INL گفت: با HALEU، راکتورهای پیشرفته می توانند عمر سوخت را در هسته افزایش دهند زیرا غنی سازی بالاتری دارید. به عبارت ساده تر، غنی سازی بیشتر به معنای اتم اورانیوم 235 بیشتر در هر گلوله است.

گلوله های سوخت HALEU تولید شده در INL حاوی سوخت غنی شده تا 15% اورانیوم 235 است، شکلی از اورانیوم که در طی یک واکنش هسته ای شکافت می شود. سوخت‌های راکتور آب سبک معمولی معمولاً تا کمتر از 5 درصد اورانیوم 235 غنی‌سازی می‌شوند که این حد مجاز توسط اکثر مجوزهای فعالیت کمیسیون تنظیم مقررات هسته‌ای موجود است.

نشان دادن توانایی تولید HALEU UO با کیفیت تجاری₂ گزینه هایی را برای صنعت و سایر سازمان های دولتی فراهم می کند تا از سوخت با محدوده غنی سازی گسترده تر نمونه برداری کنند بدون اینکه مجوزهای موجود برای بهره برداری را تحت تأثیر قرار دهند.

همکاری با جنرال الکتریک

در کوتاه مدت، گلوله های سوخت HALEU از آزمایش در INL پشتیبانی می کند راکتور آزمایشی پیشرفته با همکاری جنرال الکتریک این کار دوام یک ماده روکش اولیه را آزمایش می کند که می تواند عملکرد راکتورهای آب سبک کنونی و راکتورهای پیشرفته فردا را بهبود بخشد.

واگنر گفت: “تصویر بزرگتر این است که این به مجوز طراحی رآکتورهای پیشرفته کمک می کند، تقریباً همه آنها از نوعی سوخت HALEU استفاده می کنند.”

ناسا همچنین در حال بررسی سوخت های HALEU برای تامین انرژی فضاپیماها است نیروی محرکه هسته ای حرارتیو برای قدرت سطحی مبتنی بر شکافت برای ماه و مریخ

سوخت هسته ای برای نسل بعدی

موفقیت این پروژه، INL را به عنوان یک تولیدکننده سوخت سفارشی HALEU برای شرکت‌های راکتوری ایجاد می‌کند.

واگنر گفت: ما بهترین تولیدکننده سوخت صنعتگر در جهان هستیم. «شما در مورد آبجو صنایع دستی شنیده اید. خوب، ما سوخت صنایع دستی می سازیم.

جنیفر واتکینز، دانشمند سوخت و مواد هسته‌ای در INL، پروژه را رهبری می‌کند و این تلاش را نمونه دیگری از INL می‌بیند که مأموریت سیستم آزمایشگاهی ملی DOE را انجام می‌دهد. مکانی برای توسعه و آزمایش مفاهیم قبل از اینکه قابلیت تجاری نشان داده شود.

واتکینز گفت: “INL بهترین مکان در ایالات متحده برای توسعه فرآیندهای تولید برای مفاهیم منحصر به فرد و جدید سوخت است.” INL دارای یکی از وسیع‌ترین گستره‌های گزینه‌های خوراک در سطوح مختلف غنی‌سازی و مجوز غنی‌سازی مبتنی بر DOE بسیار انعطاف‌پذیر است که امکان سازگاری با نیازهای کاربر را فراهم می‌کند.

کارشناسان INL گلوله‌ها را در مقیاس آزمایشگاهی با استفاده از فرآیند متالورژی پودر سنتی، یک تکنیک پخت بدون فشار مشابه آنچه در صنعت برای تولید سوخت برای راکتورهای آب سبک استفاده می‌شود، ساختند.

نمایش UO₂ تولید HALEU درها را به روی سایر انواع HALEU، اعم از فلزی و سرامیکی، باز می کند و توانایی INL را در تطبیق غنی سازی با نیازها و آزمایشات مشتری برجسته می کند.

سوخت‌های نیترید، بورید، کاربید و سیلیسید چگالی اورانیوم بالاتری دارند که می‌تواند حتی سطوح عملکرد بالاتری را برای راکتورهای پیشرفته فراهم کند. اما ابتدا محققان و صنعت باید سوخت را آزمایش کرده و توسط رگولاتورها تایید شود.

«مقررات در حال حاضر سوخت تجاری را به غنی‌سازی کمتر از 5 درصد محدود می‌کند. واتکینز گفت: این کار می تواند به پیشبرد تایید مواد غنی شده بیشتر برای نیروگاه های هسته ای کمک کند.

در حال حاضر، محققان در حال انجام آزمایشاتی برای توصیف بیشتر خواص گلوله ها و شناسایی ناخالصی ها هستند. سپس کارشناسان 100 تا 150 گلوله دیگر را برای آزمایشات راکتور آزمایش پیشرفته پیشنهادی جنرال الکتریک تولید خواهند کرد.

واتکینز گفت: “همکاران ما از نتیجه راضی بودند.” “گلوله هایی که ما تولید می کردیم چگالی بسیار بالایی داشتند. تلاش‌های شناسایی اولیه ما نشان می‌دهد که آنها تمام استانداردهای تجاری دی اکسید اورانیوم را برآورده خواهند کرد.