Aan het Studiecentrum voor Kernenergie in Mol wordt sinds 1998 MYRRHA ontwikkeld (http://myrrha.sckcen.be/). MYRRHA is een zogenaamde “accellerator driven reactor” (ADR), waarmee o.a. langlevend radioactief afval van de huidige kerncentrales omgezet kan worden in kortlevend afval. Bij dit proces wordt bovendien nog nuttige energie opgewekt.

De ontwikkelingsfase van MYRRHA loopt tot 2014. Van 2015 tot 2019 wordt de installatie gebouwd, en na een testperiode van 3 jaar wordt ze in 2023 in gebruik genomen.

Eén van de vernieuwende aspecten aan MYRRHA is het koelmiddel voor de kern, een vloeibaar lood-bismut mengsel. Onder invloed van de neutronen die in de bron opgewekt worden, wordt een kleine fractie van de Pb- en Bi-kernen omgezet in het toxische en radioactieve isotopen, waaronder 210Po. Er wordt verwacht dat minstens een deel van de zo gevormde Po-atomen uit het koelmiddel zullen verdampen, dewelke daarna door filters opgevangen moeten worden. Om die filters goed te ontwerpen, moet er geweten zijn in welk tempo deze verdamping plaatsvindt.

Het is niet eenvoudig om dit verdampingsproces experimenteel te onderzoeken, niet in het minst wegens de strenge veiligheidseisen bij het werken met toxische en radioactieve elementen (alle Po-isotopen zijn radioactief). Het zou daarom heel nuttig zijn als een deel van de nodige informatie uit ab initio berekeningen kan worden gehaald. Dat is de globale doelstelling van deze masterthesis.

Werkplan Er worden twee concrete onderzoeksvragen voorgesteld, en je kiest deze die het best aansluit bij je achtergrond of interesse: hetzij chemisch, hetzij fysisch/materiaalkundig (er kunnen twee masterproeven gemaakt worden op dit onderwerp):

Vanuit de fysische of materiaalkundige invalshoek zijn we in de eerste plaats geïnteresseerd in het ternaire Pb-Bi-Po fasediagram. Hierover is experimenteel heel weinig gekend. Het al dan niet voorkomen van ternaire fasen en hun smelttemperatuur bepaalt mee hoeveel Po uit het koelmiddel zal verdampen. Een fasediagram computationeel voorspellen is geen geringe uitdaging. Geïnspireerd door recente onderzoeksresultaten zal je de volgende originele strategie uittesten: bereken de stabiliteit (=vormingsenthalpie) van een reeks gekende binaire en ternaire Pb-Bi-Te-legeringen: PbTe, BiTe, BiTe3, Bi2Te3, Bi4Te3, Bi8Te9, Pb2Bi2Te5, PbBi4Te7, Pb2Bi6Te11 en PbBi8Te13. Te behoort tot dezelfde groep als Po, gedraagt zich dus chemisch gelijkaardig, maar is niet radioactief. Met deze informatie kan je het ternaire fasediagram van Pb-Bi-Te computationeel ‘voorspellen’, en vergelijken met het experimentele fasediagram. Dezelfde legeringen worden daarna berekend voor Po i.p.v. Te: PbPo, BiPo, BiPo3,… Hiermee kan je enerzijds het ternaire Pb-Bi-Po-fasediagram voorspellen (dat is volledig nieuwe informatie), en anderzijds kan je onderzoeken in welke mate de eigenschappen van Te-legeringen voorspellend zijn voor de eigenschappen van de overeenkomstige Po-legeringen. Als er een voldoende sterke correlatie is tussen beide, dan zou experimentele informatie over Te-legeringen – die veel eenvoudiger te verkrijgen is – kunnen worden omgezet naar informatie over Po-legeringen. Als controle kan een genetisch zoekalgoritme ingezet worden om onbevooroordeeld de kristalstructuur van enkele PbxBiyPoz-legeringen te voorspellen, en te vergelijken met hun gekende Te-equivalenten.

Vanuit een meer chemische invalshoek kan onderzocht worden welke eenvoudige moleculen Po vormt met de elementen uit de omgeving van het koelmiddel (Pb en Bi, maar ook H en O uit de atmosfeer). Wanneer een molecule stabiel blijkt, dan kan je onderzoeken hoe sterk ze bindt met het oppervlak van de edelmetalen Pd, Ag, Pt en Au. Deze metalen worden overwogen als Po-filter in MYRRHA. Indien computationele informatie er op wijst dat een ervan beduidend sterker bindt met Po en Po-houdende moleculen, dan kan dit de keuze van het type filter mee helpen bepalen.

Dit onderzoek wordt uitgevoerd binnen het Centrum voor Moleculaire Modellering, in samenwerking met de vakgroep Toegepaste Materiaalwetenschappen. Voorkennis van kwantumfysische computerpakketten is geen vereiste, geïnteresseerde studenten krijgen de nodige opleiding hieromtrent.