Nucleaire Materiaalwetenschappen

Het instituut voor Nucleaire materiaalwetenschappen NMS verricht onderzoek naar de structurele en functionele materialen die deel uitmaken van huidige en toekomstige nucleaire systemen. De materiaalkeuze voor de diverse componenten vormt samen met het functioneel ontwerp – dat de werkingsvoorwaarden bepaalt – de hoeksteen voor de verwezenlijking van veilige en duurzame reactorsystemen.

Toepassingen

De toepassingen die aan bod komen binnen het instituut zijn verbonden aan:

• Reactoren voor energieopwekking
• Onderzoeksinstallaties
• Materialen voor medische beeldvorming en therapie
• Materialen voor industriële halfgeleiderproductie

Het onderzoek voor reactortoepassingen concentreert zich op de materialen aangewend in de kern van een nucleaire reactor, die in grote lijnen kunnen worden ingedeeld in twee grote klassen:

• Metallische structuurmaterialen (die de koeling en insluiting van de kern verzekeren)
• Ceramische of metallische splijtstoffen (die de energie van de reactor leveren)

De radio-isotopen en halfgeleiders worden geproduceerd in testreactoren en bieden unieke mogelijkheden aan de medische en elektronische sector. Hun productie vereist gespecialiseerde laboratoria teneinde de materialen op een veilige en kwalitatief hoogstaande manier toe te leveren.

Actuele trends

Binnen de fissiereactorkern vormen het fissieproces (=kernsplijtingsproces) en de hieruit resulterende fissieproducten en het neutronenveld dé typisch nucleaire werkingsomgeving. Dit geeft aanleiding tot een veranderende chemische samenstelling van de splijtstof en stralingsschade in zowel splijtstof (vanwege fissiefragmenten en neutronen), als in de structuurmaterialen (vanwege van de hoogenergetische neutronen).

Deze stralingsschade kan belangrijke gevolgen hebben voor het gedrag van de materialen.

• Structuurmaterialen kunnen door bestraling brosser worden, waardoor de veiligheidsmarge ten opzichte van breuk van de structuur in de loop van de levensduur kleiner zal worden.
• Ook kan langdurige blootstelling aan straling en/of de omgeving van het reactorkoelmiddel aanleiding geven tot spanningscorrosie, waardoor componenten lekken of scheuren gaan vertonen.
• Brandstoffen zullen, naarmate de hoeveelheid energie die ze al geleverd hebben stijgt, een verandering in fysische en chemische eigenschappen ondergaan. Hierdoor zal het vermogen van de brandstof om de door kernsplijting geproduceerde warmte af te voeren wijzigen, terwijl de kans dat radioactieve splijtingsproducten vrijkomen uit de brandstof kan toenemen. Ook hier is het van belang om de veiligheidsmarge te kennen die overblijft en om een gefundeerde optimalisatie van het gebruik van de brandstof te kunnen maken zonder de veiligheid in het gedrang te brengen.

De huidige trends in de nucleaire wereld gaan naar een verlengd gebruik van bestaande installaties en materialen, terwijl nieuwe, geavanceerde nucleaire systemen worden ontworpen die beter gebruik maken van de beschikbare brandstofreserves, minder afval produceren en een hoger rendement bereiken. Meer specifiek betekent dit dat er een evolutie zal plaatsvinden naar hogere gebruikstemperatuur, meer intense bestraling (zowel qua dosis als energie) en agressievere koelmiddelen (vloeibare metalen of gassen op hoge temperatuur). Gezien de gelijkenis van de belasting van materialen in fusiesystemen, kunnen de binnen fissie uitgebouwde competenties eveneens toegepast worden op de materialen aangewend in fusiereactoren.

NMS onderzoeksstrategie

Deze trends voeden de vraag naar nieuwe experimentele data, naar geavanceerde toepassingen van bestaande kennis en naar modellen die toelaten om de vergaarde kennis op een betrouwbare manier te extrapoleren vanuit laboratoriumomstandigheden naar reactoromstandigheden (zowel voor de bestaande, verouderende reactoren als voor de nieuwe reactorconcepten, waarbij de condities afwijken van wat momenteel in de onderzoeksinstallaties bereikbaar is).

Om aan deze uitdagingen tegemoet te komen, heeft het NMS-instituut een onderzoeksstrategie ontwikkeld die steunt op een synergie tussen drie aspecten van materiaalonderzoek:

• Experimenteel onderzoek van het gedrag van materialen in reactorrelevante condities, teneinde betrouwbare gegevens te genereren voor industrieel en wetenschappelijk gebruik.
• Fundamenteel materiaalonderzoek teneinde een mechanistische en fysische verklaring voor de geobserveerde trends in het materiaalgedrag te begrijpen.
• Beschrijving van de bekomen inzichten in wiskundige modellen die gevalideerd worden met de bekomen data en toelaten de resultaten op een betrouwbare manier te extrapoleren.

Deze combinatie van experimenteel en theoretisch onderzoek heeft als doel de eigen expertise te verzekeren en tegelijkertijd diensten met hoge meerwaarde aan te kunnen bieden aan de industrie.

Instituutsdirecteur: Sannen Leo
Adjunct-instituutsdirecteur: Scibetta Marc

Leaflet NMS (564 kB)

Meer gedetailleerd informatie over het instituut NMS en zijn expertisegroepen en onderzoek vindt u in de rubriek 'Our Research - Nuclear Materials Science'.