Новая лазерная система может непрерывно контролировать радиационное повреждение материалов

• Новая система, основанная на нестационарной решеточной спектроскопии, обнаруживает изменения материалов, вызванные излучением, в режиме реального времени.
• По сравнению с существующими методами, которые требуют полгода, чтобы полностью охарактеризовать данный материал, это занимает всего день.

Среда с высоким уровнем радиации, например, в активной зоне атомных электростанций, требует материалов исключительно высокого качества. Микроструктура и, следовательно, характеристики этих материалов на объектах ядерной энергетики кардинально меняются за годы эксплуатации.

Большинство материалов разрушаются из-за усиленного осаждения, объемного набухания, растворения включений баллистического типа, коррозионного растрескивания под действием облучения и усиленной сегрегации.

Существующие методы проверки способности материала выдерживать такие суровые условия окружающей среды не очень эффективны. В их основе лежит принцип «приготовить и посмотреть», при котором материалы подвергаются воздействию окружающей среды с высоким уровнем излучения, а затем удаляются для тщательного изучения. Однако этот процесс настолько трудоемок, что задерживает разработку современных материалов для новых реакторов.

Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа из Массачусетского технологического института и Sandia National Laboratories создала новую систему, которая может эффективно отслеживать изменения, вызванные радиацией, в режиме реального времени и предоставлять больше информации, чем традиционные методы.

Поскольку срок эксплуатации многих ядерных установок приближается к концу, эта технология может помочь решить, какие атомные станции можно безопасно расширить, на сколько.

Новый способ тестирования материалов

Новая лазерная система основана на нестационарной решеточной спектроскопии (TGS) - оптическом методе измерения распространения квазичастиц. Он может обнаруживать физические изменения в материале, включая температуропроводность и эластичность, без повреждения или изменения его свойств.

Команда тестировала этот метод около двух лет. Теперь система готова предоставить точные данные, которые могут помочь инженерам понять, как материалы внутри корпусов реактора со временем разлагаются.

Ссылка:ScienceDirect | doi:10.1016 / j.nimb.2018.10.025 | Массачусетский технологический институт

Это первый раз, когда кто-то использовал TGS для пристального наблюдения за повреждениями, вызванными радиацией. Он может определять, изменились ли свойства материала за годы эксплуатации, например его способность реагировать на нагрузки или проводить тепло.

Чтобы воспроизвести радиационную среду, исследователи смоделировали эффекты нейтронной бомбардировки с помощью ионных пучков, которые повреждают материал так же, как и настоящие реакторы, но с ними безопаснее работать и легче контролировать. Они использовали ионный ускоритель на 6 мегавольт, чтобы смоделировать годы нейтронного облучения в часах.

Новая система установлена ​​и протестирована в Sandia National Labs | Изображение предоставлено:Коди Деннетт

Измерения выполняются путем моделирования колебаний материала с помощью лазерного луча и последующего наблюдения за этими колебаниями на поверхности с помощью другого лазера. Это измерение также можно использовать для определения других связанных свойств, таких как накопление повреждений и дефект в данном материале.

Поскольку система контролирует материалы в режиме реального времени, можно остановить эксперимент в любой критический момент и подробно изучить повреждения. Это также позволяет инженерам точно определить механические причины этих сбоев.

Традиционные методы требуют месяцев, чтобы найти начальный фактор, вызвавший деградацию. С другой стороны, новая система могла сделать то же самое за несколько часов. Согласно отчету, полная характеристика данного материала занимает всего один день, тогда как существующие методы занимают почти полгода.

Что дальше?

На данный момент исследователи протестировали свою систему на двух чистых металлах:вольфраме и никеле. В ближайшие месяцы они будут использовать его для тестирования других металлов и различных сплавов.

Читайте:Самый прочный материал во Вселенной находится в коре нейтронных звезд

Команда также работает над дальнейшим улучшением возможностей системы и добавлением дополнительных диагностических инструментов для исследования дополнительных свойств материалов, подвергающихся воздействию радиации.