Forskare utvecklar hållbar grafit för nästa generations kärnreaktorer
Av Grafit är en nyckelkomponent i många av de avancerade modulära reaktorer (AMR) som nu planeras runt om i världen. Materialet fungerar både som moderator, som styr neutronflödet i kedjereaktionerna, och som strukturell komponent i reaktorkärnan. Trots sin avgörande roll är grafit en utmaning: det är kostsamt, kräver import och påverkas kraftigt av strålning och höga temperaturer.
Här kommer det nya femåriga forskningsprogrammet, Enlight, att ha en avgörande betydelse. Det leds av University of Manchester, men University of Oxford har huvudansvar för att utveckla nya grafitmaterial och förstå deras beteende i de extrema miljöer där de används.
Oxfords forskare ska kombinera experimentella analyser med avancerade datormodeller. Målet är att kartlägga hur grafit förändras på alla skalor – från atomnivå till hela komponenter – när det utsätts för strålning och värme. Genom att använda tekniker som Raman-spektroskopi, röntgondiffraktion, 3D-röntgenavbildning och fokuserad jonstrålefräsning kan forskarna följa hur sprickor uppstår, hur porer utvecklas och hur materialets förmåga att leda värme och stå emot mekaniska påfrestningar gradvis förändras.
– Det är ett stort projekt. Vårt initiala fokus kommer att vara på nya studier av mekaniska skador för att stödja design och kvalificering av nya kärngrafiter för avancerade fissionsreaktorer, säger professor James Marrow, som leder Oxfords insats, i samband med universitetens presentation av projektet.
En annan central del av projektet är återvinning och hållbar produktion. Här är Storbritannien i fokus kring kärnkraft, inte minst då landet ska kunna uppnå sina nettonollutsläppsmål, där kärnkraft släpper ut nästan noll koldioxid eller andra växthusgaser.
Detta kan ge en globalt relevant lösning för hantering av kärngrafitavfall Biträdande professor Dong Liu
Storbritannien står inför att hantera över 100 000 ton strålningsbelagd grafit från sina äldre gasreaktorer, samtidigt som nya reaktorer kräver högkvalitativa material. Genom Enlight ska forskarna utveckla processer för att omvandla gammal grafit till nya användbara material och därmed minska både avfall och importberoende.
– Enlight är en verklig möjlighet att omvandla design och tillverkning av kärngrafitlandskapet. Detta kommer inte bara att gynna Storbritannien enormt, utan det kommer också att ge en alternativ, globalt relevant lösning för hantering av kärngrafitavfall. Vi är mycket entusiastiska över att vara en del av denna viktiga nationella satsning, säger biträdande professor Dong Liu vid Oxford.
Datorbaserade simuleringar kommer att spela en avgörande roll i att förutsäga hur grafit beter sig över långa tidsperioder. Genom maskininlärning och avancerad bildanalys kan forskarna identifiera vilka mikrostrukturer som är mest motståndskraftiga mot skador och därmed välja ut de bästa grafitsorterna för framtida AMR.
Programmet syftar till att skapa ett helt nytt livscykelperspektiv på kärngrafit: från design och tillverkning till användning, återvinning och avfallshantering. På så sätt ska Storbritannien inte bara säkra sin energiförsörjning utan också leda den internationella utvecklingen av hållbara kärntekniska material.
Teknikerna bakom forskningen
Raman-spektroskopi
En metod där man belyser materialet med laser och studerar hur ljuset sprids. Det avslöjar materialets molekylära och kristallina struktur och kan användas för att se hur grafit förändras efter strålning.
Röntgondiffraktion (XRD)
Genom att låta röntgenstrålar träffa ett material och analysera hur de sprids kan forskarna avgöra hur atomerna är ordnade. Detta ger information om grafitens kristallstruktur och hur den påverkas av extrema förhållanden.
3D-röntgenavbildning
En avancerad form av röntgentomografi som gör det möjligt att skapa tredimensionella bilder av materialets inre. På så sätt kan forskarna se sprickor, porer och andra defekter utan att förstöra provet.
Fokuserad jonstrålefräsning (FIB)
En teknik där en koncentrerad stråle av joner används som ett slags mikroskopiskt skärverktyg. Den kan skära ut ultratunna skivor av materialet för analys och avslöja detaljer på nanometerskala.