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di combustibile nucleare, che comprende trasporto del calore, deformazione strutturale, contatto meccanico, l’ac- cumulo di pressione dovuto al rilascio di gas di fissione e i cambiamenti microstrutturali dovuti alla crescita del grano, ai danni da radiazioni e all’incendio. Ha anche modellato il comportamento del rivestimento che circonda il combustibile nucleare. In un reattore nucleare, i pellet di combustibile nucleare originale (Fig. 1) sono collocati all’interno del rivestimento, ovvero un tubo metallico sigillato. Sottoposti all’irraggiamento, questi pellet di com- bustibile aumentano di temperatura e trasferiscono calore al tubo metallico sigillato, che a sua volta trasmette calore all’acqua. Quest’acqua riscaldata viene infine utilizzata per produrre vapore così da generare elettricità, come avviene nelle centrali elettriche. Durante l’irraggiamento, una reazione di fissione determina la produzione di calore all’interno dei pellet di combustibile, creando così alte temperature, elevati gradienti termici e dilatazioni. È necessario considerare anche fenomeni nucleari specifici, poiché i prodotti della fissione si accumulano nel pellet di combustibile. La figura 1 mostra la complessa microstruttura di un pellet di combustibile nucleare dopo aver operato ad alte temperature. La struttura iniziale del grano originale resiste soltanto all’esterno, più vicino al refrigerante, dove la temperatura è più bassa. A temperature leggermente superiori, il grano cresce (si ingrossa), formando una regione di crescita di grani equiassici. A temperature più elevate, un meccanismo di trasporto del vapore permette alla porosità del combustibile di migrare seguendo il gradiente di temperatura (verso il centro), formando un vuoto centrale e lasciando nella sua scia lunghi grani colonnari. Da questi effetti si verificano crepe all’interno del combustibile ceramico e avviene un contatto tra la ceramica e il rivestimento metallico. Bisogna considerare i danni da radiazione, in quanto i prodotti di fissione ad alta energia come le radiazioni gamma e quel- le di neutroni modificano la microstruttura di tutti i materiali. Si verifica anche un gonfiore macroscopico, poiché la fissione rappresenta la divisione di un atomo in due e due atomi occupano più spazio di uno. Inoltre due prodotti di fissione, i gas nobili xenon e krypton, sono inerti e formano bolle all’interno dei pellet di combustibile (Fig. 2). È necessario poi considerare i problemi di corrosione, poiché l›acqua ad alta temperatura in un ambiente radiante porta alla formazione di prodotti di radiolisi, che causano corrosione all›esterno del rivestimento. Evitare il cedimento del carburante Dal momento che le proprietà dei pellet di combustibile nucleare cambiano drasticamente man mano che ven- gono irradiati, gli ingegneri fanno grande affidamento sulla modellazione per prevedere come i parametri di prestazione del combustibile, quali la temperatura di picco, la pressione del gas e la deformazione del rivesti- mento, possano influenzare gli esperimenti. Allo stesso modo, comprendere come qualsiasi modifica progettua- le possa manifestarsi in un ambiente radioattivo richiede un vasto lavoro di modellazione e validazione tramite misurazioni. Uno degli obiettivi principali della ricerca di Prudil è stato quello di modellare la deformazione del rivestimento e ottenere una stima più accurata della deformazione, poiché questo rappresenta un importante meccanismo di cedimento del combustibile. Una volta creato un modello della deformazione del rivestimento, è possibile ottimizzare virtualmente il sistema. Le strategie di ottimizzazione includono una modifica diretta del combustibile, della distanza tra combustibile e rivestimento o del modo in cui il combustibile viene trattato all’interno del reattore. “Costruire un modello è relativamente semplice”, dice Prudil, “ma lo è molto meno sapere quali siano le corrette proprietà dei materiali da inserire in quel modello, specialmente quando evolvono con il passare del tempo e con l’esposizione alla radiazione”. Dopo aver completato un nuovo modello, Prudil confron- ta i risultati della simulazione con i risultati sperimentali per valutare la qualità delle sue previsioni. La possibilità di cambiare combustibile rappresenta un approccio interessante per migliorare un reattore nuclea- re, in quanto il combustibile nucleare è progettato per essere sostituito. Si tratta di una soluzione economicamente vantaggiosa, poiché non è necessario intervenire su parte del reattore: quando è il momento di rifornire il reattore, i tecnici potrebbero semplicemente alimentare il sistema con il nuovo combustibile. “Pertanto”, dice Prudil, “la sfida più importante per noi è descrivere con precisione i materiali in gioco”. Fig, 2 – Micrografie che mostrano lo sviluppo delle bolle del gas di fissione sui bordi dei grani di biossido di uranio. Con l’aumento del burnup, da sinistra a destra, le bolle diventano più grandi e interconnesse. White, Development of grain-face porosity in irradiated fuel, J. Nuc. Mat. 325, 2004, www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022311503004616 TECH INSIGHT MATERIAL ANALYSIS 23 - ELETTRONICA OGGI 481 - OTTOBRE 2019