Forskere ved Paul Scherrer-instituttet (PSI) har undersøkt kledningsrørene til brenselstenger i kjernereaktorer ved hjelp av en ny 3D-avbildningsteknikk. Dette gjorde det mulig for dem å bestemme med høyeste presisjon hvordan kvaliteten endrer seg over tid på grunn av korrosjon og strålingseksponering. Oksidlaget i rørene viste seg å forbli intakt selv etter årevis med drift. Dette kan undersøkes spesielt detaljert ved hjelp av den nye metoden.
Kledningsrørene til brenselstenger i kjernereaktorer må forbli lekkasjetette – til tross for trusselen om korrosjon fra det omkringliggende kjølevannet og strålingseksponeringen under drift. Derfor er det avgjørende å vite hvor raskt korrosjonslag dannes og hvor porøse de er. Forskere ved Paul Scherrer-instituttet (PSI) har nå, for første gang, brukt en ny metode for å visualisere disse endringene i kledningsmaterialet tredimensjonalt med nanometerskalaoppløsning. Et annet unikt aspekt ved arbeidet deres: de undersøkte prøver av kledningsrør som faktisk hadde blitt brukt i reaktoren. Resultatene viste at rørene tålte påkjenningene: de forble lekkasjetette. Forskerne har nå publisert funnene fra studien sin i tidsskriftet Advanced Engineering Materials.
De nye undersøkelsene var et resultat av et samarbeid mellom tre PSI-forskningssentre: Center for Nuclear Technologies and Sciences, Center for Photon Research og Center for Neutron and Muon Research. I det såkalte varme laboratoriet ved PSI – et unikt anlegg for å undersøke høyradioaktive materialer – brukte ansatte fra Center for Nuclear Technologies and Sciences spesielle finsager til å skjære ultratynne prøver fra kledningsrørene til brukte brenselstenger i skjermede celler. Deretter formet de disse prøvene til sylindriske prøver ved hjelp av en fokusert ionestråle. Prøvene ble tatt fra overflaten av kledningsrørene – et lag med zirkoniumoksid som følge av oksidasjon under drift. «Til slutt hadde vår lille søyle av zirkoniumoksid en diameter på bare 20 mikrometer; dette er knapt synlig for det blotte øye. Et menneskehår er tre til fire ganger tykkere», forklarer Okan Yetik, hovedforfatter av den nye studien. Han utførte denne forskningen som en del av sine nå fullførte doktorgradsstudier ved Center for Nuclear Technologies and Sciences og Center for Neutron and Muon Research ved PSI. «Med denne lille størrelsen avgir prøven svært lite ioniserende stråling», legger Liliana Duarte, forsker ved Center for Nuclear Technologies and Sciences ved PSI og en av Yetiks doktorgradsveiledere, til. «Dette betydde at vi var under grensen for å utføre slike undersøkelser utenfor spesielt skjermede laboratorieceller.»
Dette gjorde det mulig å undersøke prøven ved Swiss Light Source SLS ved PSI ved hjelp av den ptychographic X-ray computertomography (PXCT)-teknikken som ble utviklet der. I denne prosessen skannes prøven punkt for punkt fra forskjellige vinkler med en røntgenstråle, noe som produserer spesielt høyoppløselige tredimensjonale bilder av den indre materialstrukturen. «Med dette kunne vi til og med oppdage porer som bare var åtti nanometer store», sier Andreas Menzel fra Center for Photon Research ved PSI, en annen medforfatter av studien. «Målingene ved SLS viste oss at de beskyttende oksidlagene i kledningsrørene forblir forseglet og oppfyller sitt formål selv etter mange års bruk», sier Liliana Duarte.
Til sammenligning undersøkte forskerne også prøver av ubestrålede foringsrør, den typen som i dag brukes til kvalitetskontroll: I en autoklav – en beholder som ligner på en trykkoker – utsettes prøvene for kontrollert trykk, temperatur og vann. Resultatene viste at tettheten til foringsrørene som faktisk ble brukt og tettheten til de autoklaverte foringsrørprøvene var praktisk talt identisk. Dette tyder på at standard materialtester med ikke-radioaktive prøver fra autoklaven faktisk kan gi meningsfulle resultater.
Dette er svært gode nyheter for sikkerheten til kledningsrør og dermed for kjernekraftverk. Det er også gode nyheter for fremtidige undersøkelser av kledningsrør: Det vil ikke alltid være nødvendig å undersøke faktiske, utrangerte kledningsrør. PSI-forskning kan derfor hjelpe operatører av kjernekraftverk med å optimalisere vannkjemien og driftsstyringen av reaktorene sine ytterligere. Brenselelementprodusenter kan skreddersy legeringer og varmebehandlinger mer presist til spesifikke krav. Sist, men ikke minst, åpner den nye testmetoden for muligheten til å analysere komponenter i nyere reaktortyper, såkalte små modulære reaktorer, samt de i kjernefusjonsreaktorer, i tilsvarende detalj og optimalisere dem for bruk.
Originalpublikasjon:
Tetthetsmåling av bestrålt og ikke-bestrålt zirkoniumoksid ved hjelp av ptykografisk røntgencomputertomografi (PXCT)
Okan Yetik, Liliana I. Duarte, MG Makowska, Roland Brütsch, Andrej Bullemer, Ana Diaz, Mirko Holler, Andreas Menzel, Johannes Bertsch, Pavel Trtik
Avanserte tekniske materialer, 11. oktober 2026 (på nett)
DOI: 10.1002/adem.202503145
