- معهد Paul Scherrer السويسري يستخدم تقنية تصوير جديدة بالأشعة السينية للكشف عن تآكل غلاف الوقود النووي.
- تظهر الدراسة أن مواد التغليف لا تزال تحافظ على وظيفة الإحكام والحماية بعد سنوات من الاستخدام.
- يمكن للتقنية الجديدة أن تحسّن كيمياء مياه المفاعل وتضبط أداء المواد.
- نُشرت نتائج الدراسة في مجلة Advanced Engineering Materials.
اعتمد باحثون في معهد Paul Scherrer Institute (PSI) السويسري تقنية تصوير جديدة بالأشعة السينية لإجراء فحص ثلاثي الأبعاد للتآكل داخل مواد تغليف قضبان الوقود النووي، ونجحوا في تحديد مسامات صغيرة يصل حجمها إلى 80 نانومترًا. وبحثت الدراسة فيما إذا كانت الطبقة الواقية المحيطة بقضبان الوقود لا تزال فعّالة بعد سنوات من التعرض لمياه التبريد والإشعاع. واستخدم الفريق عينات من أنابيب التغليف المستخدمة في تشغيل محطات الطاقة النووية، واستعان بـ Swiss Light Source في PSI لرسم خريطة للبنية الداخلية. وأظهرت النتائج أن هذه الأنابيب حافظت على إحكامها خلال فترة الخدمة، كما أظهرت القياسات أن طبقة الأكسيد الواقية واصلت أداء وظيفتها.
تساعد هذه النتائج في تقييم سلامة قضبان الوقود، وتحديد ما إذا كانت اختبارات التآكل التقليدية في المختبر تعكس بدقة حالة المواد في ظل ظروف المفاعل. ولم يوضح الإعلان توقيت إجراء التجربة.
الكشف عن تآكل مواد التغليف
يجب أن تظل مواد تغليف قضبان الوقود محكمة الإغلاق أثناء تشغيل المفاعل، رغم أن الظروف البيئية قد تؤدي إلى التآكل. لذلك يحتاج الباحثون إلى معرفة سرعة تشكل طبقة التآكل ومساميتها. وعادةً ما تحتوي أنابيب التغليف هذه على أكثر من 98% من الزركونيوم، مع إضافة كميات صغيرة من معادن أخرى لتحسين أدائها. وتغلف مواد التغليف حبيبات وقود ثاني أكسيد اليورانيوم المكدسة، لتشكيل قضبان الوقود المستخدمة في المفاعلات النووية. وجمعت الدراسة ثلاثة مراكز بحثية داخل PSI، تشمل الهندسة النووية وعلوم الفوتونات وعلوم النيوترونات والميونات. وفي المختبر الساخن بالمعهد، استخدم العاملون منشارًا دقيقًا داخل خلية ساخنة محمية لقطع شرائح رقيقة كالبلاط من مواد تغليف قضبان وقود مستعملة، ثم عالجوا المواد باستخدام حزمة أيونات مركّزة لتحويلها إلى شكل أسطواني.
جاءت العينات من طبقة أكسيد الزركونيوم التي تشكلت على سطح الغلاف أثناء التشغيل.
وقال المؤلف الأول Okan Yetik: «في النهاية، بلغ قطر أسطوانة أكسيد الزركونيوم الصغيرة لدينا 20 ميكرومترًا فقط، وهي بالكاد تُرى بالعين المجردة. ويبلغ سمك شعرة الإنسان ثلاثة إلى أربعة أضعاف سمكها». وأتاحت هذه العينات الصغيرة إبقاء الانبعاثات الإشعاعية عند مستوى منخفض بما يكفي لفحصها خارج خلية ساخنة محمية مخصصة. وفحص الفريق هذه الأسطوانات باستخدام تقنية التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية المعتمدة على ptychography (ptychographic X-ray computed tomography, PXCT) التي طُوّرت في Swiss Light Source التابع لـ PSI.
تمسح حزمة الأشعة السينية العينة نقطة بنقطة من زوايا مختلفة، لتوليد صور ثلاثية الأبعاد عالية الدقة لبنيتها الداخلية. وقال المؤلف المشارك Andreas Menzel: «تمكّنا حتى من تحديد مسامات صغيرة يصل حجمها إلى 80 نانومترًا». وأظهرت القياسات أيضًا أن طبقة الأكسيد حافظت على وظيفتها الواقية بعد استخدام طويل. وقالت الباحثة في PSI Liliana Duarte: «أظهرت القياسات التي أُجريت في SLS أن طبقة الأكسيد الواقية على أنابيب التغليف بقيت سليمة، وواصلت أداء دورها بعد سنوات من الاستخدام».
إمكانات تطبيق التقنية الجديدة
قارن الباحثون المواد المستعملة بعينات تغليف غير معرضة للإشعاع، عُرّضت للماء داخل أوتوكلاف عند ضغط مرتفع ودرجة حرارة عالية وبضغط تلقائي. وكانت كثافة العينات المستخدمة في المفاعل شبه مماثلة لكثافة المواد المعالجة في الأوتوكلاف، ما يدعم قيمة اختبارات التآكل المعيارية. ويعني ذلك أن الباحثين ليسوا مضطرين بالضرورة إلى استخدام مواد تغليف مستعملة لإجراء التحقيقات. ويمكن أن تساعد هذه النتائج أيضًا المشغلين في تحسين كيمياء مياه المفاعل، وتساعد المصنّعين في ضبط السبائك والمعالجات الحرارية. وتفتح التقنية إمكانات لإجراء فحوص تفصيلية مماثلة للمفاعلات المعيارية الصغيرة ومفاعلات الاندماج النووي.
نشر الباحثون نتائجهم في مجلة Advanced Engineering Materials.
تأثير تقنية الأشعة السينية الجديدة على السلامة النووية
يُعد استخدام تقنية تصوير جديدة بالأشعة السينية للكشف عن تآكل غلاف الوقود النووي أمرًا بالغ الأهمية للسلامة النووية. ولا تؤكد هذه الدراسة فعالية مواد التغليف فحسب، بل تقدم أيضًا طريقة جديدة لتقييم سلامة قضبان الوقود النووي. ومع نمو الطلب على الطاقة النووية، يصبح ضمان التشغيل الآمن للمفاعلات أكثر أهمية. وأظهرت نتائج الدراسة أن اختبارات التآكل التقليدية قد لا تكون كافية لتعكس الواقع، ما يدفع القطاع إلى إعادة النظر في معايير فحص المواد. وإضافة إلى ذلك، لا تقتصر إمكانات تطبيق هذه التقنية على المفاعلات الحالية، بل يمكن أن تمتد إلى المفاعلات المعيارية الصغيرة ومفاعلات الاندماج النووي، مما يمهد الطريق لتطوير الطاقة النووية في المستقبل.