Silicium al in kernbrandstof voordat die de reactor ingaat, blijkt uit onderzoek

Een team van Western University in Canada heeft een onverwachte ontdekking gedaan bij het onderzoek naar TRISO-kernbrandstof. Deze robuuste splijtstof, bestaand uit minuscule korrels uranium zo groot als een maanzaadje, blijkt al vóór gebruik in een kernreactor sporen van silicium te bevatten. Eerdere studies gingen ervan uit dat silicium pas tijdens bedrijf in de reactor in de brandstof terechtkwam, via migratie uit de beschermende siliciumcarbide-coating rond elke korrel.

Onderzoek naar afbraak van splijtstof

Het onderzoek, geleid door professor Samantha Gateman samen met postdoctoraal onderzoekers Soroosh Hakimian en Shamim Pourrahimi, had als doel de chemische samenstelling van TRISO-brandstof beter te begrijpen. Dat moet helpen om veiliger opslag- en verwerkingsmethoden te ontwikkelen voor gebruikte kernbrandstof en om te verklaren hoe het materiaal in de loop van de tijd chemisch afbreekt. TRISO staat bekend als een van de meest robuuste splijtstofontwerpen ter wereld: elke korrel is omhuld met meerdere beschermlagen die radioactieve deeltjes moeten tegenhouden, zelfs bij extreme hitte of beschadiging.

Tijdens hun experimenten troffen de onderzoekers silicium aan in de brandstofkern zelf, nog voordat die was bestraald in een reactor. Dat was opmerkelijk, omdat eerder onderzoek silicium alleen aantrof in bestraalde brandstof en dit toeschreef aan migratie vanuit de coating tijdens reactorbedrijf. Gateman: "We vonden silicium in de brandstofkern voordat die ooit in een reactor had gezeten. Dat betekent dat we niet langer automatisch kunnen aannemen dat silicium in bestraalde brandstof daar via de siliciumcarbide-laag is terechtgekomen."

Oorzaak ligt bij het productieproces

De ontdekking zette het team ertoe aan het fabricageproces van de brandstof opnieuw te onderzoeken. TRISO-korrels worden gemaakt via een methode die sol-gelfabricage heet. Daarbij wordt uraniumhoudend materiaal in kleine bolletjes gevormd door ze onder te dompelen in een bad van heet siliconenolie, nog voordat de korrels een thermische behandeling en hun beschermende coating krijgen. De onderzoekers testten zowel onbewerkte als volledig gecoate deeltjes en vonden in beide gevallen silicium. Dat wijst erop dat het element al tijdens dit vroege productieproces in de brandstofkern terechtkomt, en niet pas later door de coating.

Gateman noemt vooral de link met het productieproces opvallend: "De samenstelling van de olie is belangrijk, omdat het materiaal daarmee reageert terwijl de brandstofkorrel wordt gevormd." De bevindingen, gepubliceerd in het Journal of Nuclear Materials, leggen een nieuwe basislijn vast voor toekomstig onderzoek naar hoe TRISO-brandstof zich tijdens reactorbedrijf gedraagt en hoe ze na gebruik veilig kan worden opgeslagen.