スイス・パウル・シェラー研究所、新型X線成像技術で核燃料被覆管内部の腐食を検出

スイスのパウル・シェラー研究所（Paul Scherrer Institute, PSI）の研究者たちが、新型のX線成像技術を用いて核燃料棒の被覆材料内部の腐食状況を三次元で検査し、最小80ナノメートルの孔隙を特定することに成功した。この研究では、燃料棒を取り巻く保護層が長年にわたる冷却水と放射線への曝露の後でも依然として有効であるかどうかを検証した。研究チームは原子力発電所の運転で使用された被覆管サンプルを用い、PSIのスイス光源（Swiss Light Source）を使って内部構造をマッピングした。結果、これらの管が運転期間中に密封性を保ち、測定により保護性酸化層が機能を継続していることが示された。

これらの知見は燃料棒の安全性評価に役立ち、従来の実験室腐食試験が炉内条件下での材料の状況を正確に反映しているかどうかを判断する助けとなる。発表では実験が実施された時期について具体的には言及されていない。

被覆材料の腐食検査

燃料棒の被覆材料は炉運転中に密封性を維持しなければならないが、環境条件によって腐食が生じる可能性がある。したがって、研究者たちは腐食層の形成速度とその多孔性を把握する必要がある。これらの被覆管は通常98%以上のジルコニウムを含み、少量の他の金属を添加して特性を向上させている。被覆材料は積層された二酸化ウラン燃料ペレットを包み込み、核反応炉用の燃料棒を形成する。この研究はPSI内部の3つの研究センターが協力し、核工学、光子科学、中性子・ミュオン科学をカバーしている。同研究所のホットラボでは、作業員が精密ノコギリを用いてシールドされたホットセル内で使用済み燃料棒の被覆材料を瓦のように薄い切片に切り出し、その後、集束イオンビームで材料を円柱状に加工した。

サンプルは運転中に被覆表面に形成されたジルコニウム酸化層に由来する。

筆頭著者のOkan Yeti̇k氏は「最終的に、我々の小さなジルコニウム酸化物円柱の直径はわずか20マイクロメートルで、肉眼ではほとんど見えない。人間の髪の毛の太さはその3〜4倍だ」と述べている。これらの微小サンプルにより放射線放出が十分に低いレベルに抑えられ、専用のシールド付きホットセルの外部で検査が可能となった。研究チームはPSIのスイス光源で開発されたプティコグラフィックX線コンピュータ断層撮影（ptychographic X-ray computed tomography, PXCT）を用いてこれらの円柱を検査した。

X線ビームが異なる角度からサンプルを点ごとに走査し、その内部構造の高解像度三次元画像を生成した。共著者のAndreas Menzel氏は「我々は最小80ナノメートルの孔隙を特定することさえできた」と指摘する。測定はまた、酸化層が長期使用後も保護機能を維持していることを示した。PSI研究員のLiliana Duarte氏は「SLSでの測定により、被覆管上の保護性酸化層が完全な状態を保ち、多年の使用後もその役割を果たし続けていることが示された」と述べている。

新技術の応用可能性

研究者たちは使用済み材料と未照射の被覆サンプルを比較した。後者は高圧、高温、およびオートクレーブ内で水に曝露されたものである。炉で使用されたサンプルの密度はオートクレーブ処理された材料の密度とほぼ同一であり、これは標準的な腐食試験の価値を裏付けるものだ。これは研究者たちが必ずしも使用済み被覆材料を用いなくても調査を行えることを意味する。これらの知見は運転員が炉心水質化学を改善し、製造業者が合金組成と熱処理を調整するのにも役立つ。この技術は小型モジュール炉（SMR）および核融合炉における同様の詳細検査への可能性を開くものである。

研究者たちは彼らの知見を『Advanced Engineering Materials』誌に発表した。

新型X線技術が核エネルギー安全性に与える影響

新型X線成像技術を用いて核燃料被覆管の腐食状況を検査することは、核エネルギーの安全性にとって極めて重要である。この研究は被覆材料の有効性を実証しただけでなく、核燃料棒の安全性を評価する新たな方法を提供した。核エネルギー需要の増大に伴い、炉の安全運転を確保することがますます重要になっている。研究結果は従来の腐食試験が実態を十分に反映していない可能性を示しており、業界に材料検査基準の見直しを促している。さらに、この技術の応用可能性は既存炉にとどまらず、小型モジュール炉および核融合炉にも拡張でき、将来の核エネルギー開発への道を切り開くものである。