Jednym z elementów zapewniania bezpieczeństwa pracy przyszłych reaktorów wysokotemperaturowych będzie testowanie paliwa TRISO, zarówno przed, jak i po jego napromieniowaniu. Naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych oraz Joint Research Centre Komisji Europejskiej opracowali procedurę, która pozwala przygotować próbki paliwa TRISO do badań jakościowych, możliwą do przeprowadzenia w laboratorium bądź w komorach gorących.

Konieczność przeprowadzenia transformacji energetycznej jest dodatkowym impulsem do rozwoju nowych technologii. Dotyczy to między innymi nowej generacji reaktorów jądrowych, do której należą wysokotemperaturowe reaktory chłodzone gazem (HTGR). Kluczowym elementem każdego reaktora jest rdzeń, w którym znajduje się paliwo jądrowe. Jest ono nie tylko źródłem reakcji jądrowych, ale pełni także ważną funkcję bezpieczeństwa. Elementy paliwowe są projektowane tak, aby zatrzymywały produkty rozszczepienia.

Charakterystyczne dla reaktorów HTGR jest paliwo w postaci kuleczek, tzw. TRISO (TRIstructural ISOtropic). Kuleczki te, wielkości milimetra, zatapiane są w matrycy grafitowej, z której tworzy się rdzeń reaktora (w postaci złoża usypanego z większych kul bądź heksagonalnych elementów w układzie pryzmatycznym). Samo paliwo TRISO składa się z rozszczepialnego rdzenia otoczonego czterema warstwami okrywającymi tj. węgiel pirolityczny oraz weglik krzemu. Dzięki temu w trakcie pracy reaktora oraz w przypadku sytuacji awaryjnych, produkty rozpadu pozostaną zamknięte w paliwie.

Jak każdy element technologiczny, także paliwo TRISO może ulegać uszkodzeniom, zarówno w procesie produkcyjnym, jak i podczas eksploatacji reaktora. Dla zapewnienia bezpiecznej pracy reaktorów konieczne jest dokładne zrozumienie, jak uszkodzenia i niejednorodności wpływają na działanie paliwa. Dlatego ważne są badania paliwa TRISO na różnych etapach. Ponieważ takie badania wymagają dostępu do wewnętrznych warstw tego paliwa, konieczna jest dodatkowa procedura, która odsłoni ich przekrój i da wgląd w całą strukturę wewnętrzną.

„Celem naszego badania było przygotowanie uniwersalnej procedury objaśniającej krok po kroku metody przygotowania paliwa do polerowania jak i samego procesu polerowania próbek TRISO, niezależnie od tego na jakim etapie napromieniowania chcemy zweryfikować jakość paliwa” – wyjaśnia dr inż. Zuzanna Krajewska-Travar z Zakładu Energetyki Jądrowej i Analiz Środowiska NCBJ, autorka publikacji.

Naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych oraz Joint Research Centre Komisji Europejskiej przebadali różne metody zanurzania kuleczek paliwa TRISO w żywicy prowadzące do utworzenia próbki poddawanej polerowaniu. Procedurę polerowania próbek opracowano tak, aby mogła zostać zastosowana zarówno w laboratorium (do próbek TRISO przed napromienieniem w reaktorze), jak i w komorze gorącej (do badania paliwa napromieniowanego). Materiały polerskie zostały odpowiednio dobrane, dzięki czemu możliwe było uzyskanie przekrojów próbek ukazujących wszystkie warstwy okrywające TRISO bez ich uszkodzenia. Do badań wybrano surogaty paliwa pochodzące od różnych producentów, co pozwoliło na porównanie jakości polerowania różnych próbek paliwa. Próbki zostały następnie przebadane metoda mikroskopii optycznej, celem weryfikacji jakości polerowania.

Obserwacje mikroskopowe przygotowanych próbek potwierdziły, że opracowana procedura pozwala na wgląd w poszczególne warstwy TRISO i umożliwia ocenę jakości wykonania i ewentualnych uszkodzeń powstających podczas eksploatacji. Dalsze badania skupią się na przygotowywaniu napromieniowanych próbek zawierających rdzeń uranowy.

Wyniki badań opublikowano w artykule: Z.M. Krajewska-Travar, E. Fontana, P. Lajarge, S. Gardeur, S. Pfirrmann, D. Freis, Polishing process of the TRISO particle fuel, Annals of Nuclear Energy, Volume 241, 2027, 112755, ISSN 0306-4549, https://doi.org/10.1016/j.anucene.2026.112755.