Лазерная система обеспечивает мониторинг радиационного повреждения материалов в реальном времени

• Новая система на базе транзитной решеточной спектроскопии детектирует радиационно-индуцированные изменения в материалах в реальном времени.
• По сравнению с существующими техниками, занимающими полгода для полной характеристики данного материала, это занимает только день.

Высокорадиационные среды, такие как те, что находятся в ядрах атомных электростанций, требуют материалов исключительно высокого качества. Микроструктура, и, следовательно, производительность этих материалов в ядерных объектах меняется драматически на протяжении лет эксплуатации.

Большинство материалов выходят из строя из-за усиленного выпадения осадка, объемного набухания, баллистического растворения включений, коррозионного трещинобразования, مساعدного облучением, и усиленного сегрегирования.

Существующие методы тестирования способности материала выдерживать такие суровые среды не очень эффективны. Они полагаются на подход «приготовь и посмотри» (cook and look), в котором материалы подвергаются высокой радиационной среде и затем удаляются для детального осмотра. Процесс, однако, настолько затратен по времени, что задерживает разработку передовых материалов для новых реакторов.

Для решения этой проблемы исследовательская команда из MIT и Национальных лабораторий Сандиа построила новую систему, которая может эффективно отслеживать радиационно-индуцированные изменения в реальном времени и предоставлять больше инсайтов, чем конвенциональные техники.

Поскольку множество ядерных объектов направляются к концу своих операционных сроков службы, технология может помочь решить, какие атомные станции могут быть безопасно продлены и на сколько.

Новый способ тестирования материалов

Новая лазерная система опирается на транзитную решеточную спектроскопию (TGS) — оптическую технику для измерения распространения квазичастиц. Она может детектировать физические изменения в материале, включая тепловую диффузивность и эластичность, без повреждения или изменения его свойств.

Команда тестирует этот метод около двух лет. Теперь система готова предоставить точные данные, которые могут помочь инженерам понять, как материалы внутри реакторных сосудов деградируют со временем.

Источник: ScienceDirect | doi:10.1016/j.nimb.2018.10.025 | MIT

Это первый раз, когда кто-то использовал TGS для близкого наблюдения за повреждением, вызванным радиацией. Она может детектировать, изменились ли свойства материала в течение операционных лет, такие как его способность отвечать на стрессы или проводить тепло.

Для репликации радиационных сред исследователи симулировали эффекты нейтронного бомбардирования с использованием ионных пучков, которые повреждают материал похожим образом, как реальные реакторы, но безопаснее в работе и гораздо легче контролировать. Они использовали ионный ускоритель 6 мегавольт для симуляции лет нейтронного воздействия за часы.

Новая система, установленная и протестированная в Национальных лабораториях Сандиа | Источник изображения: Cody Dennett

Измерения выполняются путем симуляции вибраций материала с использованием лазерного пучка и последующего наблюдения за этими вибрациями на поверхности с использованием другого лазера. Это измерение также может использоваться для определения других связанных свойств, таких как накопление повреждений и дефекты в данном материале.

Поскольку система мониторит материалы в реальном времени, возможно остановить эксперимент в любой критический момент и изучить повреждение(я) детально. Это также позволяет инженерам определить механистические причины за этими сбоями.

Традиционные методы занимают месяцы для нахождения начального фактора, запустившего деградацию. Новая система, с другой стороны, может сделать то же за несколько часов. Согласно отчету, полная характеристика данного материала занимает только один день, тогда как существующие техники занимают почти полгода.

Что дальше?

До сих пор исследователи протестировали свою систему на двух чистых металлах: вольфраме и никеле. В ближайшие месяцы они будут использовать ее для тестирования других металлов и различных видов сплавов.

Читайте также: Самый сильный материал во Вселенной лежит в корке нейтронных звезд

Команда также работает над дальнейшим улучшением возможностей системы и добавлением больше диагностических инструментов для исследования большего числа свойств материалов, подвергаемых радиации.