Paul Scherrer Institute Swis gunakan teknik pencitraan X-ray baru untuk mendeteksi korosi internal selubung bahan bakar nuklir

Peneliti di Paul Scherrer Institute (PSI) Swis menggunakan teknik pencitraan X-ray baru untuk melakukan pemeriksaan tiga dimensi terhadap korosi internal material pelapis batang bahan bakar nuklir, berhasil mengidentifikasi rongga sekecil 80 nanometer. Penelitian ini mengevaluasi apakah lapisan pelindung di sekitar batang bahan bakar tetap efektif setelah bertahun-tahun terpapar air pendingin dan radiasi. Tim penelitian menggunakan sampel tabung pelapis dari operasi pembangkit nuklir, memanfaatkan Swiss Light Source milik PSI untuk memetakan struktur internalnya. Hasilnya menunjukkan tabung-tabung tersebut tetap kedap selama masa layanan, dan pengukuran mengonfirmasi lapisan oksida pelindung terus berfungsi.

Temuan ini membantu menilai keamanan batang bahan bakar, dan menentukan apakah uji korosi laboratorium konvensional akurat mencerminkan kondisi material di lingkungan reaktor. Pengumuman tidak menyebutkan kapan eksperimen dilakukan secara spesifik.

Pemeriksaan Korosi Material Pelapis

Material pelapis batang bahan bakar harus tetap kedap selama operasi reaktor, meskipun kondisi lingkungan dapat menyebabkan korosi. Oleh karena itu, peneliti perlu memahami kecepatan pembentukan lapisan korosi dan porositasnya. Tabung pelapis ini biasanya mengandung lebih dari 98% zirconium, dengan penambahan logam lain dalam jumlah kecil untuk meningkatkan performanya. Material pelapis membungkus pelet bahan bakar uranium dioksida yang disusun bertumpuk, membentuk batang bahan bakar untuk reaktor nuklir. Penelitian ini melibatkan tiga pusat penelitian internal PSI, yang mencakup teknik nuklir, ilmu foton, serta ilmu neutron dan muon. Di laboratorium panas institusi tersebut, staf menggunakan gergaji presisi di dalam ruang panas terlindung untuk memotong iris tipis seperti genteng dari material pelapis batang bahan bakar bekas, lalu memproses material tersebut menjadi bentuk silinder menggunakan ion beam fokus.

Sampel berasal dari lapisan oksida zirconium yang terbentuk di permukaan pelapis selama operasi.

Penulis utama Okan Yetiş berkata: "Akhirnya, silinder oksida zirconium kecil kami berdiameter hanya 20 mikrometer, hampir tidak terlihat mata telanjang. Ketebulan rambut manusia tiga hingga empat kali lipatnya." Sampel kecil ini menjaga emisi radiasi pada tingkat cukup rendah untuk memungkinkan pemeriksaan di luar ruang panas terlindung khusus. Tim penelitian memeriksa silinder-silinder tersebut menggunakan teknik ptychographic X-ray computed tomography (PXCT) yang dikembangkan di Swiss Light Source milik PSI.

Sinar X-ray memindai sampel titik per titik dari sudut berbeda, menghasilkan citra tiga dimensi beresolusi tinggi dari struktur internalnya. Ko-penulis Andreas Menzel menyatakan: "Kami bahkan mampu mengidentifikasi rongga sekecil 80 nanometer." Pengukuran juga menunjukkan lapisan oksida mempertahankan fungsinya sebagai pelindung setelah penggunaan jangka panjang. Peneliti PSI Liliana Duarte berkata: "Pengukuran di SLS menunjukkan lapisan oksida pelindung pada tabung pelapis tetap utuh dan terus berfungsi setelah bertahun-tahun penggunaan."

Potensi Aplikasi Teknologi Baru

Peneliti membandingkan material bekas dengan sampel pelapis yang tidak teriradiasi, yang terakhir dieksposkan ke air di dalam autoclave bertekanan dan suhu tinggi. Kepadatan sampel dari reaktor hampir sama dengan material autoclave, mendukung nilai uji korosi standar. Artinya, peneliti tidak selalu memerlukan material pelapis bekas untuk penyelidikan. Temuan ini juga dapat membantu operator memperbaiki kimia air reaktor, serta membantu produsen menyesuaikan komposisi alloy dan pengolahan panas. Teknologi ini membuka kemungkinan untuk inspeksi detail serupa pada reaktor modular kecil dan reaktor fusi nuklir.

Peneliti telah mempublikasikan temuan mereka di jurnal Advanced Engineering Materials.

Dampak Teknologi X-ray Baru terhadap Keamanan Nuklir

Penggunaan teknik pencitraan X-ray baru untuk mendeteksi korosi selubung bahan bakar nuklir sangat krusial bagi keamanan nuklir. Penelitian ini tidak hanya mengonfirmasi efektivitas material pelapis, tetapi juga menyediakan metode baru untuk menilai keamanan batang bahan bakar. Seiring bertambahnya permintaan energi nuklir, memastikan operasi reaktor yang aman menjadi semakin penting. Hasil penelitian menunjukkan uji korosi konvensional mungkin tidak cukup mencerminkan kondisi nyata, mendorong industri mempertimbangkan ulang standar inspeksi material. Selain itu, potensi aplikasi teknologi ini tidak terbatas pada reaktor yang ada, tetapi dapat diperluas ke reaktor modular kecil dan reaktor fusi nuklir, membuka jalan bagi pengembangan energi nuklir di masa depan.