Pesquisadores demonstram nova técnica para observar intrusão de sal fundido em grafite de grau nuclear

Em resposta a um interesse internacional renovado em reatores de sal fundido, pesquisadores do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia desenvolveram uma nova técnica para visualizar a intrusão de sal fundido na grafite.

Durante o revolucionário Molten Salt Reactor Experiment, ou MSRE, do ORNL na década de 1960, os cientistas demonstraram pela primeira vez a viabilidade de reações de fissão nuclear com sal de fluoreto fundido usado tanto como transportador de combustível quanto como refrigerante, substituindo o combustível sólido e a água usados ​​​​na energia nuclear tradicional. reatores. Os projetos de reatores de sal fundido mostram-se muito promissores como meio de geração de energia sem carbono.

Para desacelerar os nêutrons para que possam promover facilmente a fissão nuclear, os reatores nucleares usam um material chamado moderador. Para moderar o MSRE, os cientistas utilizaram grafite sintética, que é resistente ao choque térmico e dimensionalmente estável devido ao seu extenso sistema de poros resultante do processo de fabricação.

O grafite MSRE foi feito sob medida e revestido especialmente para diminuir a porosidade e proteger contra efeitos prejudiciais que podem ocorrer quando as pressões hidráulicas e de gás fazem com que o sal fundido penetre nos poros do grafite. Além disso, a prevenção da intrusão de sal fundido evita problemas adicionais com a gestão de resíduos durante o descomissionamento do reator.

Após a conclusão do experimento do ORNL em 1969, o potencial dos reatores de sal fundido foi amplamente inexplorado até o século 21, e a baixa demanda pelo grafite especializado levou à descontinuação do material entre os fabricantes nacionais de grafite. Com um aumento na pesquisa de reatores de sal fundido, mas sem grafite MSRE, os cientistas de hoje devem identificar uma grafite alternativa para moderar com sucesso as reações nucleares em sais fundidos.

No entanto, a ambiguidade em torno dos efeitos da intrusão de sal fundido representa uma barreira à descoberta. Os cientistas têm uma compreensão limitada de quais características microscópicas permitem que alguns tipos de grafite resistam melhor à intrusão do que outros e como a intrusão de sal afeta outras propriedades do grafite.

Na esperança de resolver essas incertezas, uma equipe de cientistas do ORNL liderada por Nidia Gallego e Jisue Moon estudou a intrusão de sal fundido em vários graus de grafite e validou a primeira técnica para visualizar e monitorar a profundidade e distribuição de penetração de sal fundido nos poros da grafite.

“É fundamental para nós, como cientistas de materiais, ajudar a testar e desenvolver técnicas que possamos usar ou ter uma perspectiva melhor sobre o que precisamos fazer para entender como o sal que entra nos poros pode afetar as propriedades mecânicas ou térmicas do grafite. “, disse Gallego, um distinto cientista da equipe de P&D da Divisão de Ciências Químicas do ORNL.

Tradicionalmente, os cientistas medem a intrusão de sal pesando a grafite antes e depois da exposição ao sal fundido. Os pesquisadores do ORNL esperavam obter uma compreensão mais detalhada da intrusão observando realmente o que acontece dentro do grafite.

Gallego e Moon, um cientista associado de P&D da Divisão de Ciência e Tecnologia de Radioisótopos, primeiro tentaram a tomografia de raios X para avaliar a intrusão de sal, mas o método demorado exigia amostras menores e não conseguia fornecer contraste suficiente para uma visão mais detalhada dos poros do grafite. .

A equipe passou para a imagem de nêutrons, que é adequada para amostras de grande volume.

“Antes de começarmos a usar imagens de nêutrons, tivemos que destruir a amostra para visualizar a intrusão de sal usando técnicas de microscopia”, disse Moon. “No entanto, com a imagem de nêutrons, podemos fazer uma tomografia computadorizada tridimensional de toda a amostra para visualizar a distribuição do sal e, então, podemos realizar análises adicionais conforme necessário.”

Usando o instrumento Multimodal Advanced Radiography Station no High Flux Isotope Reactor, ou HFIR, uma instalação de usuário do DOE Office of Science no ORNL, os pesquisadores alcançaram a primeira visualização 3D direta da distribuição de sal fundido nos poros de grafite, uma conquista nova.

Na imagem de nêutrons, os coeficientes de atenuação de nêutrons, que descrevem como um feixe de nêutrons é reduzido ao passar por um material, variam muito entre o grafite e o sal de flúor. Essa diferença criou um forte contraste visual entre os materiais que os pesquisadores observaram ao reconstruir seções do grafite.

“A imagem de nêutrons é perfeita porque realmente nos permite visualizar para onde está indo o sal”, disse Gallego.

Usando as reconstruções 3D, Gallego e Moon compararam a penetração do sal fundido nos poros do grafite em diferentes graus de tamanho de partícula. Sob as condições específicas de pressão e temperatura utilizadas nas experiências de exposição ao sal, os investigadores determinaram que na maioria das grafites de grãos superfinos, a penetração não era uniforme, limitada aos primeiros milímetros abaixo da superfície da grafite e localizada em torno do perímetro da secção transversal da amostra.

Na grafite de grão médio-fino, que possui poros maiores que a grafite superfina, o sal penetrou mais profundamente no material e cobriu totalmente a área da seção transversal da amostra.

A equipe finalmente identificou a microestrutura da grafite, que descreve o tamanho e a distribuição dos poros, como o fator mais importante na determinação da penetração do sal fundido e da distribuição de densidade para uma determinada temperatura e pressão.

“A intrusão de sal fundido pode afetar significativamente a operação dos reatores de sal fundido”, disse Moon. “Esta pesquisa pode nos ajudar a ver o impacto do sal nos materiais de grafite e, assim, pode nos ajudar a desenvolver métodos mais padronizados para projetar o grafite adequado.”

Depois de publicar suas descobertas em CarbonoGallego e Moon continuam pesquisas com cientistas HFIR para melhorar a resolução da imagem de nêutrons e observar a intrusão de sal fundido com variáveis ​​adicionais de temperatura, pressão e tempo.

“Há muita coisa do ponto de vista técnico, muitas melhorias, desenvolvimentos que são possíveis e de interesse dos cientistas que também nos darão muitos insights sobre a dinâmica e a cinética do processo”, disse Gallego.

Em última análise, a equipe espera desenvolver modelos preditivos para descrever como diferentes graus de grafite respondem à intrusão de sal e refinar os padrões operacionais de reatores de sal fundido, que denotam requisitos materiais e técnicos para reatores, mas carecem de especificações sobre os graus de grafite preferidos.

“Entender como o grafite interage com o sal é fundamental”, disse Gallego.