Evolution of microstructure and nanoscale chemistry of Zircaloy-2-type alloys during nuclear reactor operation

Doctoral thesis, 2022

Kärnkraft står för cirka en tiondel av världens elproduktion och är bland de storskaliga elproduktionsmetoder som har lägst markanvändning, lägst påverkan på ekosystem, lägst koldioxidutsläpp och lägst påverkan på mänsklig hälsa. Kärnkraft är sålunda ett attraktivt alternativ för att möta en del av jordens ökande befolknings förväntade högre elanvändning.

I nästan alla kärnkraftsreaktorer består kärnbränslet av små pellets av urandioxid. Dessa pellets är placerade i cirka fyra meter långa rör som är tillverkade av metallen zirkonium med små tillsatser av andra metaller, till exempel tenn, järn, krom och nickel. Energi alstras genom kärnklyvning av uranet. Denna energi leds som värme genom zirkoniumrören och värmer reaktorns kylvatten som strömmar på utsidan av rören och sedan används för att driva en ångturbin som driver en generator som producerar el. Zirkoniummaterialen är alltså en barriär mellan kärnbränslet och kylvattnet. I varje reaktor finns det tiotusentals zirkoniumrör.

Under reaktorns drift försämras zirkoniumrörens egenskaper på grund av korrosion från kylvattnet och neutronbestrålning från kärnklyvningen. Denna försämring leder till att rören och bränslet behöver bytas ut med några års mellanrum. På så sätt begränsas hur mycket av bränslets energiinnehåll som kan nyttjas. Om det går att utveckla zirkoniumrör som håller längre skulle det vara möjligt att använda bränslet mer effektivt och därmed använda jordens uranresurser mer effektivt samtidigt som mindre radioaktivt avfall bildas. En bättre förståelse för de processer som leder till de försämrade egenskaperna skulle underlätta arbetet med att utveckla bättre zirkoniumrör.
 

I denna avhandling presenteras undersökningar som gjorts för att förstå vad som händer i zirkoniumrör under reaktordrift. Den analysmetod som använts kallas atomsondstomografi och kan med nästan atomär upplösning ge information om hur olika ämnen är fördelade i små nålformade prover som inte är längre än en tusendels millimeter. Resultaten visar hur tenn, järn, krom och nickel har omfördelats på grund av neutronbestrålningen i reaktorn och ger information som ökar den detaljerade förståelsen för hur zirkoniumrörens egenskaper försämras. Dessutom har nya insikter som kan vara till nytta vid framtida atomsondsundersökningar av zirkoniummaterial erhållits.