تم تصوير بداية التفاعل غير المنضبط للهيدروجين مع اليورانيوم لأول مرة

عندما يتلامس غاز الهيدروجين مع معدن اليورانيوم، يتكون مسحوق تفاعلي يجعل التفاعل يشبه الانهيار الجليدي ويصعب التحكم فيه. ويؤثر هذا بشكل مباشر على سلامة وعمر خدمة التقنيات الحيوية لطاقة الاندماج وأنظمة تخزين الهيدروجين والوقود النووي.

في مختبر ليفرمور الوطني. كان لورانس أول من رصد في الوقت الحقيقي المرحلة الأولية لتآكل اليورانيوم تحت تأثير الهيدروجين. ونشرت النتائج في المجلة تدهور المواد npjسوف يساعدون في تطوير نماذج أكثر دقة ومادية لتدمير مكونات اليورانيوم.

يمكن مقارنة تفاعل اليورانيوم مع الهيدروجين بالسخان. أولا، مثلما يتسرب الماء من خلال الشقوق العميقة في الأرض، يذوب الهيدروجين وينتشر في عمق المعدن. تحدث هذه العملية سرًا حتى يصبح اليورانيوم غير قادر على استيعاب الهيدروجين الوارد. ثم تتحد العناصر لتشكل هيدريد اليورانيوم، الذي يشغل حجمًا أكبر بكثير من المعدن الأصلي.

الزيادة في الحجم تؤدي إلى زيادة في الضغط الداخلي. يتوسع الهيدريد المتكون حديثًا ويندفع للأعلى إلى السطح، حيث يشكل نفطة صغيرة – نفطة. تنتفخ هذه الفقاعة حتى تصبح الطبقة السطحية غير قادرة على تحمل الحمل. وبعد ذلك، تمامًا كما يطلق السخان تيارًا من الماء في الهواء، تنفجر البثرة، مطلقة مسحوق هيدريد اليورانيوم.

يقول كيميائي المواد جبريل شيتو، المؤلف الرئيسي للدراسة: “بمجرد كسر الطبقة السطحية الواقية، ينكشف المعدن الجديد ويتسارع التفاعل. باختصار، تسير الدورة على النحو التالي: الامتزاز، والتفكك، والانتشار، والتراكم، والتقرح، والتمزق، والتقشير. وبمجرد بدء هذه العملية، يكون من الصعب للغاية إيقافها”.

لإنشاء مفاعلات اندماجية طويلة الأمد، وأنظمة موثوقة لتخزين الهيدروجين، ووقود نووي يمكن تخزينه بأمان لعقود من الزمن، من الضروري أن نفهم أصول “نبع الهيدروجين واليورانيوم” هذا. حتى الآن، ظل تحديد اللحظة الدقيقة لبدء التفاعل مشكلة لم يتم حلها.

“الطريقتان الرئيسيتان اللتان تم استخدامهما في هذا المجال تعملان بشكل رائع بمجرد أن يكتسب التفاعل زخمًا بالفعل. لكنهما عمياء عمليًا عن الأحداث الأولى. لقد افتقرنا إلى طريقة لمراقبة السطح نفسه بالطول والمقياس الزمني المطلوبين – بشكل مستمر ودون التدخل في العملية. ويوضح الباحث: “إن هذه الفجوة هي التي قررنا سدها”.

استخدم هو وزملاؤه قياس تداخل الضوء الأبيض. ويمكن استخدامه لإنشاء خريطة طبوغرافية مفصلة للسطح عن طريق قياس كيفية ارتداد الضوء عن اليورانيوم مقارنة بالحزمة المرجعية. توفر هذه الطريقة الحساسية اللازمة لرؤية فقاعات الهيدريد (واسعة ولكن صغيرة) دون لمسها جسديًا أو تدميرها.

يقارن شيتو قائلاً: “يمكننا مسح نفس المنطقة من سطح اليورانيوم بشكل متكرر طوال فترة التفاعل، مما يؤدي إلى إنشاء سجل بفاصل زمني. إنه مثل الفرق بين سرد حدث ما بعد فوات الأوان ولقطات كاميرات المراقبة التي يتم تشغيلها طوال الوقت”.

قدم تحليل هذه التسجيلات للمجربين عدة مفاجآت. أولاً، لم تظهر نفطة الهيدريد في المكان المتوقع. ثانياً: انتشر في الاتساع، ولم يدخل في سمك اليورانيوم.

أجريت هذه الدراسة على نطاق ضيق من درجات الحرارة، عند ضغط هيدروجيني واحد ولحالة مادية واحدة. والخطوة التالية هي توسيع نطاق الشروط. ويخلص العالم إلى القول: “هذه هي الطريقة التي سننتقل بها من مرحلة “يمكننا رؤيته” إلى مرحلة “يمكننا التنبؤ به تحت أي ظروف معينة”.

يمكن أيضًا استخدام قياس التداخل غير المتماسك لدراسة تفاعلات الهيدروجين مع معادن أخرى، مما يفتح آفاقًا في مجال سريع التطور للموصلات الفائقة الهيدريد، وكذلك لدراسة أنواع أخرى من التآكل وتدهور المواد.