アルゴンヌの新たな研究により、核燃料の高温時の挙動が明らかに(When it’s hotter than hot, scientists know how nuclear fuel behaves, thanks to new research from Argonne)

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2024-09-05 アルゴンヌ国立研究所(ANL)

アルゴンヌ国立研究所の科学者たちは、次世代の原子炉用核燃料であるプルトニウム酸化物(PuO2)の高温下での挙動を研究しました。サンプルをガス流上に浮かせ、レーザーで加熱して液体化し、X線でその構造を測定しました。この実験は、PuO2が高温下でも共価結合を保持しており、非放射性のセリウム酸化物と類似した構造を持つことを発見。これにより、将来のクリーンな原子力エネルギーシステムの設計に役立つデータが得られました。

<関連情報>

プルトニウム酸化物のメルト構造と共有結合性 Plutonium oxide melt structure and covalency

Stephen K. Wilke,Chris J. Benmore,Oliver L. G. Alderman,Ganesh Sivaraman,Matthew D. Ruehl,Krista L. Hawthorne,Anthony Tamalonis,David A. Andersson,Mark A. Williamson & Richard Weber
Nature Materials  Published:26 April 2024
DOI:https://doi.org/10.1038/s41563-024-01883-3

アルゴンヌの新たな研究により、核燃料の高温時の挙動が明らかに(When it’s hotter than hot, scientists know how nuclear fuel behaves, thanks to new research from Argonne)

Abstract

Advances in nuclear power reactors include the use of mixed oxide fuel, containing uranium and plutonium oxides. The high-temperature behaviour and structure of PuO2–x above 1,800 K remain largely unexplored, and these conditions must be considered for reactor design and planning for the mitigation of severe accidents. Here, we measure the atomic structure of PuO2–x through the melting transition up to 3,000 ± 50 K using X-ray scattering of aerodynamically levitated and laser-beam-heated samples, with O/Pu ranging from 1.57 to 1.76. Liquid structural models consistent with the X-ray data are developed using machine-learned interatomic potentials and density functional theory. Molten PuO1.76 contains some degree of covalent Pu–O bonding, signalled by the degeneracy of Pu 5f and O 2p orbitals. The liquid is isomorphous with molten CeO1.75, demonstrating the latter as a non-radioactive, non-toxic, structural surrogate when differences in the oxidation potentials of Pu and Ce are accounted for. These characterizations provide essential constraints for modelling pertinent to reactor safety design.

2000原子力放射線一般
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