تحديد الأنواع واستقرار الإشعاع لِـ "المراحل الرمادية" للكروم والعناصر النادرة داخل مواد نموذجية للوقود المستهلك Cr-مُشَكَّل (Ln,U)O2

لماذا تهم هذه الدراسة للطاقة النووية

غالبًا ما يُروَّج للطاقة النووية باعتبارها عمودًا فقريًا منخفض الكربون لأنظمة الطاقة المستقبلية، لكن ما يحدث للوقود بعد أداء وظيفته لا يزال مصدر قلق رئيسي. تبحث هذه الدراسة في جيل جديد من وقود ثاني أكسيد اليورانيوم (UO₂) المحسّن بكمّيات ضئيلة من الكروم وعناصر أخرى. تساعد هذه الإضافات الوقود على الأداء بشكل أفضل داخل المفاعل وتقليل حجم الوقود المستهلك، لكنها أيضًا تغيّر البنى الداخلية الدقيقة التي تتكوّن بعد سنوات من التعرض للإشعاع. فهم هذه التغيّرات ضروري للتنبؤ بكيفية تصرف الوقود المستهلك على مدى عقود أثناء التخزين أو التخلص.

قوالب وقود أذكى بمساعدين خفيين

تستخدم وقود المفاعلات الحديثة بشكل متزايد ما يُسمَّى بوقود التكنولوجيا المتقدمة، حيث يُعدَّل UO₂ الكلاسيكي بشكل طفيف. يسبب إضافة بضع مئات من الأجزاء لكل مليون من الكروم نمو الحبيبات المجهرية داخل قالب الوقود لتصبح أكبر. الحبيبات الأكبر تحجز غازات الانشطار بشكل أكثر فعالية، مما يتيح استخدام الوقود لفترات أطول وعلى معدل استهلاك أعلى قبل استبداله. كما تضيف شركات المرافق عناصر أرضية نادرة معينة مثل الغادولينيوم للمساعدة في التحكم في قدرة المفاعل أثناء التشغيل. بينما تحسّن هذه الحيل الأداء داخل المفاعل، يُعرف القليل عن كيفية إعادة ترتيب كل هذه الإضافات لأنفسها بمجرد أن يتعرض الوقود لإشعاع شديد ويصبح وقودًا مستهلكًا.

استكشاف كيمياء داخلية للوقود بعُيون أشعة إكس الحادة

التجارب المباشرة على الوقود المستهلك شديد الإشعاع تقنية صعبة، لذا أنشأ الباحثون مواد نموذجية مُتحكَّمًا فيها بعناية. صنّعوا ثاني أكسيد اليورانيوم الذي احتوى على آثار من الكروم وجزءًا كبيرًا من إما البراسيوديميوم أو الغادولينيوم، وهي عناصر تحاكي سلوك منتجات الانشطار والنضوب المهمة. باستخدام أشعة إكس السنكرونية عالية الطاقة وتقنية دقّة عالية جدًا تُسمى HERFD-XANES، تمكنوا من التمييز ليس فقط أين يوجد عنصر اليورانيوم في البلورة، بل وأيضًا في أي حالة أكسدة يكون، وكيف ترتبط ذرات الكروم والعناصر الأرضية النادرة. أظهرت هذه القياسات أن إدخال أيونات أرضية نادرة ثلاثية التكافؤ يجبر جزءًا من اليورانيوم على التأكسد، مما يضيّق الشبكة البلورية بشكل طفيف ويغيّر التوازن الداخلي للشحنات.

تشكّل غير متوقع لِـ جزر المراحل الرمادية

أبرز نتيجة هي أن الكروم والعناصر الأرضية النادرة لا تبقى مُذابة بالتساوي في ثاني أكسيد اليورانيوم كما قد يُتوقع من حدود الذائبية البسيطة. بدلاً من ذلك، يتجمّع جزء كبير من الكروم مع البراسيوديميوم أو الغادولينيوم والأكسجين ليكوّن عائلة مميزة من الأكاسيد المختلطة ذات بنية من نوع البيروفيسكايت، يُكتب كيميائيًا على شكل LnCrO₃. تشبه هذه المركبات إلى حد كبير ما يُعرف باسم "المراحل الرمادية" في الوقود المستهلك التقليدي، لكن هنا تُبنى من عناصر كانت تميل عادةً إلى البقاء مذابة في مصفوفة الوقود. أظهر التحليل الطيفي المتقدم أن نحو ثلثي إلى ثلاثة أرباع الكروم انتقل إلى هذه المناطق الشبيهة بالمراحل الرمادية، على الرغم من أن محتوى الكروم الكلي كان أقل بكثير من المستوى الذي تُتوقَّع عنده ظهور مراحل كروم منفصلة.

اختبار المتانة تحت قصف أيوني شديد

يثير تشكيل مراحل مجهرية جديدة سؤالاً فوريًا: هل هذه الجزر الصغيرة مستقرة تحت حقول الإشعاع الشديدة داخل الوقود وخلال التخزين طويل الأمد؟ لاختبار ذلك، صَنَع الفريق أقراصًا نقية من مركبي البيروفيسكايت الاثنين، PrCrO₃ وGdCrO₃، وقصفت أسطحها المُصقولة بشعاع من أيونات الذهب عالية الطاقة، محاكاة لأضرار إشعاعية شديدة. أظهرت صور المجهر الإلكتروني أن بنية الحبيبات الواضحة قرب السطح أصبحت ملساء وزجاجية المظهر، مما يدل على تحول جزئي إلى حالة لا بلورية. ومع ذلك، كشف حيود أشعة إكس بزوايا قريبة من السطح، الذي يفحص الطبقات القريبة من السطح، عن قمم حيود مميزة للبلورة البيروفيسكايت الأصلية، وإن كانت متوسعة ومزاحة. هذا يعني أنه بينما تتعرض المواد لأضرار جسيمة، فإن بنيتها الأساسية وهويتها تستمران.

ما الذي يعنيه هذا لمستقبل الوقود النووي المستهلك

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن كميات ضئيلة من الكروم المُدخلة لجعل وقود المفاعل أكثر متانة يمكن أن تدفع الوقود أيضًا لتكوين جزر جديدة من أكاسيد مختلطة مستقرة جدًا بعد أن يصبح مستهلكًا. تقفل هذه الجيوب الشبيهة بالمراحل الرمادية الكروم وبعض العناصر الشبيهة بمنتجات الانشطار داخل بنية تقاوم الحرارة والكيمياء والإشعاع. هذا مطمئن من ناحية احتواء النشاط الإشعاعي، لكنه يعني أيضًا أن التركيب الداخلي للوقود المستهلك من أنواع الوقود المتقدّم المضاف إليه الكروم سيختلف عن UO₂ التقليدي. قد تحتاج نماذج الإقصاء والتحلل المصممة للوقود الأقدم إلى تحديث لتعكس كيمياء هذه المراحل الجديدة. باختصار، تحسين أداء الوقود داخل المفاعل يعيد تشكيل بصورة حتمية القصة طويلة الأمد لكيفية تصرّف ذلك الوقود بعد استخدامه.

الاستشهاد: Shirokiy, D., Bukaemskiy, A., Henkes, M. et al. Speciation and radiation stability of Cr and Ln “Grey-Phases” within Cr-doped (Ln,U)O₂ spent fuel model materials. npj Mater Degrad 10, 39 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00752-5

الكلمات المفتاحية: وقود نووي مدمَّج بالكروم, مراحل الوقود المستهلك الرمادية, بنية ثاني أكسيد اليورانيوم المجهرية, أكاسيد مختلطة من نوع البيروفيسكايت, تحمّل أضرار الإشعاع