Le Laboratoire Chaud a 60 ans
En Suisse, l’installation nucléaire en service depuis le plus longtemps se trouve à l’Institut Paul Scherrer PSI. Elle fête son anniversaire aujourd’hui.
Coopération dans le domaine des réacteurs
Copenhagen Atomics et l'Institut Paul Scherrer PSI ont conclu un accord de coopération portant sur une collaboration expérimentale de grande envergure.
Forensics: Quantitative tracing of Silicon in CRUD
Chalk River Unidentified Deposits (CRUD) are dissolved and suspended solids, product of the corrosion of structural elements in water circuits of nuclear reactors.
The chemical composition of CRUD is variable as it depends on the composition of the reactor’s structural material, as well as the types of refueling cycles. Recent internal investigations have found unexpected but significant Si-amount in CRUD. The chemical composition of CRUD holds key information for an improved understanding of CRUD formation and possible impact in fuel reliability and contamination prevention.
The standard analytical methods available in the hot laboratory did not allow an easy quantitative determination of the Si-amount in CRUD. A new innovative procedure has been developed and tested with synthetic CRUD name Syntcrud.
The adapted flex-fusion digestion method presented here is able to provide reliable concentrations of several elements within CRUD, including Si, which was not possible in methods used previously for ICPMS measurement.
A unique environment for research on highly radioactive materials
PSI has a unique (worldwide) environment for the investigation of highly radioactive / toxic materials:
> Materials (different fuel types, very high burn-up, different cladding materials, materials activated in SINQ).
> The hot lab with advanced tools for microsample analysis and preparation.
> The large-scale equipment for advanced material analysis.
This unique combination at PSI allows us to meet the needs of our industrial partners to improve plant safety / efficiency, up to fundamental research.
The quantitative distribution of fission products over the cross-section of a pellet with a shielded electron probe microanalyzer (EPMA) used for verification analysis of the material behavior to validate the model. In this context, Xe behavior during transients/failure (LOCA, RIA) is an important safety parameter that can’t be measured with the EPMA at the periphery. Microstructural EBSD investigations on a microsample extend the information horizon, which is deepened at the microXAS beamline by detailed X-ray analyses.
Hydrogen-induced softening effect in zirconium alloys
The fuel used for nuclear energy production is normally enclosed in zirconium-based cladding tubes that constitute the first barrier between the radioactive material and the environment. In water-moderated reactors, cladding tubes tend to corrode, generating hydrogen as side product. The study of the hydrogen embrittlement in zirconium alloys is of high relevance for the industry.
Depending on temperature, local hydrogen concentration, and local stress conditions, different hydrogen-induced embrittlement mechanisms can be active in the cladding material: in certain conditions hydrogen in solid solution might cause material softening through a mechanism known as hydrogen enhanced localized plasticity (HELP).
With the goal of determining the conditions necessary to activate the HELP effect in zirconium alloys, samples have been evaluated by different micro-mechanical and macro-mechanical techniques. Results highlight the importance of the interplay between solid solution hydrogen and hydrides on the hardness and yield point of the tested materials.
MC-EBIS-ICP-MS – a unique dual Ion Source Mass Spectrometer
This highlight presents a successful, in-house developed integration of an Electron Beam Ion Source (EBIS) able to ionize gases to high charge states with a customized commercial MC-ICP-MS. The successful joining of the two ion flight paths is a milestone towards comprehensive routine analyses of solids, liquids, and gases using THE SAME MASS SPECTROMETER, the latter analyses free from atmospheric contamination. After implementation of an introduction system for gas mass spectrometry, routine analyses will comprise isotope ratio and relative abundance determinations of fission gases in used nuclear fuel. In addition to the unique versatility of the MC-EBIS-ICP-MS, inclusion of the EBIS furthers opens the little-studied field of mass spectrometry of highly charged ions.
New element and speciation specific analytical options at AHL
The Hot Laboratory division (AHL) within PSI’s Nuclear Energy and Safety (NES) division continually upgrades and advances its analytical infrastructure to provide cutting-edge scientific service to PSI’s researchers and industrial customers. A new, fully automatable and highly flexible Ion Chromatograph (IC) furthers AHL’s efforts in sample miniaturization and extends the spectrum of destructive analytical capabilities to element and speciation specific analyses. With the new IC and its modern ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) facilities, AHL offers innovative scientific options for nuclear and general research. Moreover, speciation analyses by IC-ICP-MS for polyvalent inorganic water pollutants such as Cr or As and the acquisition of a new ICP-OES system (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry) enable future autonomy in wastewater management.
Used Nuclear Fuel: from Better Characterization to Better Optimization
A safe, economical and environmental friendly disposal of used nuclear fuel represents an essential objective of relevance for all. This guides the approach under development at the laboratory for reactor physics and thermal-hydraulics. Establish higher resolution simulation methods to gain more detailed knowledge on the content of each single nuclear fuel rod ever irradiated in a reactor. Thereafter, use this knowledge to explore optimization approaches that could potentially enlarge the range of disposal options allowing to fulfill the highest level of safety standards while reducing economical costs and geological footprints at the same time.
Hydrogen uptake into Zr-based fuel claddings
At the hot surface of a fuel rod cladding in the reactor water, the water is partially dissociated in hydrogen and oxygen, leading to corrosion of the cladding and to the uptake of a part of the created hydrogen. Hydrogen in solid solution and in precipitated form changes the mechanical properties of the cladding tube. The uptake of the hydrogen through the dense oxide layer is unclear. The structure and physical properties of the oxide near the metal-interface is critical The resistivity of the oxide increases with distance from the interface. Nb-containing alloys show lower resistivity in the oxide close to the metal interface, and exhibit a lower hydrogen pick-up. The time in the reactor is an important factor, leading to increasing resistivity in the oxide close to the metal interface, and a higher hydrogen uptake late in life.
Relevance of the findings: considering resistivity, the model of hydrogen uptake is better understood, revealing hints for further cladding development.
Les gaines de crayons combustibles et leurs propriétés
Johannes Bertsch travaille au PSI dans la division de recherche Energie nucléaire et sûreté, où il étudie les gaines qui enrobent le combustible exploité dans les centrales nucléaires.
Neue Betriebsbewilligung
Am 21. Februar 2019 erteilte das Eidgenössische Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation (UVEK) die neue Betriebsbewilligung für die Anlage PSI Hotlabor
UO2 fuel behavior at very high burnup
The investigation of the nuclear fuel at very high burnup is critical for evaluating the safety margin for the evaluated fuel in normal as well as in accidental conditions. PSI is one of the very few hot laboratories which possess access to irradiated UO2 fuel with very high burnup from commercial reactors. The application of relevant tools for the investigation, handling and analysis of those highly irradiated materials emphasize the necessary expertise.
New Focused Ion Beam (FIB) in the Hot Laboratory
The implementation of Focused Ion Beam instruments in material research laboratories during the last decade has not only strongly improved the preparation of very thin specimens for the Transmission Electron Microscope (TEM), in particular at interfaces, but also led to the development of new analysis methods inside the instrument itself. It became a powerful instrument for the analyses of highly radioactive materials, because it allows for the production and analysis of very small specimens that can be then analyzed with very sensitive detectors without strong interference from the radiation field of the specimen itself.
Refurbishment of HZ6
The hot cell 6 is dedicated to the storage and conditioning of high level solid waste. This cell has been completely refurbished in the period 2015 – 2017. This include the complete dismantling and conditioning of the highly fuel contaminated old infrastructure, the cleaning of the cell and the installation and test of the new improved infrastructure.
Pt nanoparticles: The key to improved stress corrosion cracking mitigation in boiling water reactors
The formation and growth of cracks by stress corrosion cracking (SCC)in reactor internals and recirculation pipes due to the highly oxidising environment is a serious issue in boiling water reactors. At first, SCC mitigation was attempted by injecting H2 into the feed water, where the injected H2 recombines with the H2O2 and O2 to water and reduces the electrochemical corrosion potential, and consequently the SCC susceptibility. Several disadvantages of the injection of high amounts of H2, have led to the development of noble metal additions to the reactor feed water. With injection of a much smaller amount of H2, the noble metal particles of a few nanometres in size, formed in-situ, work as catalysts for the efficient reduction of the oxidizing species formed by radiolysis, and thus lower the ECP and SCC susceptibility.
New Sample and Task Management Software
The AHL accounts, according to internal as well as external regulations, nuclear materials and moderators. For the detection and control of nuclear fuel samples and monitoring with respect to criticality safety, AHL developed a new sample and task management software (IPV).
New sewage cleaning system and tank farm
PSI Hotlab is collecting and radiologically cleaning the entire radioactive waste water from the PSI East side. In the years 2014-2016 a major refurbishment took place, where the old tank farm was decommissioned, and new stainless-steel tanks were installed together with new, modern ultrafiltration systems during normal operation of the lab.
L'installation de recherche du Laboratoire chaud
Démarrage de l'enquête publique relative à une actualisation de l'autorisation d'exploitation de l'installation de recherche du Laboratoire chaud de l’Institut Paul Scherrer PSILe Laboratoire chaud de l’Institut Paul Scherrer PSI est une installation au sein de laquelle des chercheurs et chercheuses étudient les matériaux hautement radioactifs dans des enceintes blindées spéciales, également baptisées cellules chaudes. Cette installation est unique en Suisse. Elle sert la recherche appliquée sur les matériaux en analysant des échantillons hautement radioactifs de barreaux de combustibles et de matériaux de structure provenant de centrales nucléaires, de réacteurs de recherche et de l'accélérateur de proton du PSI. Grâce aux travaux du Laboratoire chaud, l’Institut Paul Scherrer contribue ainsi à la sécurité des centrales nucléaires suisses. Près de 32 salariés travaillent au sein de l'infrastructure spécialisée dans les techniques de sécurité et d'analyses du Laboratoire chaud.
L’hydrogène: un cheval de Troie dans la gaine du crayon combustible
Dans un réacteur nucléaire, l’eau se sépare en oxygène et en hydrogène au contact de la gaine contenant les pastilles de combustible, alors à haute température. Cet hydrogène peut pénétrer dans la gaine qui enrobe le combustible proprement dit, et la fragiliser mécaniquement. A l’aide de neutrons et de rayonnement synchrotron, des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer (PSI) étudient le mécanisme de pénétration de l’hydrogène dans la gaine et l’effet qu’il peut y déployer.
Des billes pour moins de déchets nucléaires
L’idée de produire du combustible nucléaire sous forme de sphères (et non de pastilles, comme c’est l’usage aujourd’hui) remonte aux années 1960. Les avantages suivants en étaient escomptés : une simplification de la fabrication du combustible ainsi qu’une nette réduction de la quantité de déchets radioactifs lors de sa fabrication et de son utilisation en centrale nucléaire. Ce type de combustible n'a toutefois jamais été utilisé parce que les types de réacteurs pour lesquels il avait été envisagé n’ont pas pu s'imposer. Dans le passé, l’Institut Paul Scherrer (PSI) a aussi contribué à la recherche en matière de combustible à particules sphériques. A nouveau, plusieurs projets, en partie financés par l’Union européenne, sont actuellement en cours au PSI. Leur objectif : continuer à améliorer la production des billes de combustible. Cette forme de combustible pourrait être utilisée soit dans des installations spéciales de réduction des quantités de déchets radioactifs, soit dans des réacteurs rapides de quatrième génération, qui, en cycle fermé, produisent eux aussi moins de déchets à vie longue.
Diffusion des radionucléides: les enseignements pour un dépôt en couches géologiques profondes
Comment les substances radioactives évoluent-elles dans la roche d’accueil d’un dépôt en couches géologiques profondes pour déchets nucléaires ? A l’Institut Paul Scherrer (PSI), des chercheurs du groupe de recherche Processus de diffusion se penchent sur cette question au Laboratoire Sûreté des dépôts de déchets radioactifs. On connaît bien les propriétés de transport des radionucléides chargés négativement : ils sont repoussés par les surfaces des minéraux argileux, chargées négativement elles aussi, et n’adhèrent donc pour ainsi pas à la roche. Un projet de l’Union européenne est en train de mettre en évidence des éléments de connaissance concernant les radionucléides chargés positivement, qui eux, adhèrent fortement à la roche. Le PSI y participe.
Les connaissances pour demain en provenance des « cellules chaudes »
Des mesures de sécurité strictes encadrent la manipulation et l’analyse d’objets irradiés, et donc radioactifs, provenant de centrales nucléaires ou de laboratoires de recherche. Ces tests ne peuvent être conduits que dans des enceintes baptisées « cellules chaudes », dont les parois de béton et de plomb de plusieurs mètres d’épaisseur. Dans les cellules chaudes du Laboratoire chaud du PSI, des barreaux de combustibles usés provenant des centrales nucléaires suisses sont régulièrement soumis à une analyse scientifique des matériaux. Les connaissances obtenues dans le cadre de ces analyses permettent aux exploitants d’optimiser l’efficacité et la sécurité de leurs centrales. A côté de ces prestations de service destinées aux centrales nucléaires, le Laboratoire chaud est également impliqué dans des projets de recherche internationaux.
Des matériaux fiables pour les réacteurs nucléaires
Les matériaux employés dans les centrales nucléaires sont soumis à des exigences élevées. Les standards de sécurité en matière de sélection, d'utilisation et de surveillance des matériaux sont donc très élevés. Le PSI analyse le comportement et le vieillissement d’éléments utilisés dans ces installations. Ainsi, les chercheurs étudient l'importance des phénomènes de corrosion de fissure sous contrainte ou les effets de l’irradiation par des particules énergétiques sur la durabilité des matériaux.
Un stockage final sûr – étude du contexte spécifiquement suisse
Les déchets radioactifs produits par les centrales nucléaires ou issus de la médecine, de l'industrie et de la recherche doivent être isolés de l'environnement et de l'espace vital de l'Homme pendant de très longues périodes. Les experts du PSI se penchent depuis des années sur les questions scientifiques relatives à la sécurité des dépôts de stockage géologique définitif. La recherche effectuée au PSI se concentre principalement sur les phénomènes physico-chimiques ayant lieu dans les dépots de stockage définitif. L'objectif est de réaliser une description réaliste des risques liés au stockage des déchets radioactifs.