Systemet overvåger strålingsskader på materialer i realtid

For at vurdere et materiales evne til at modstå miljøet med høj stråling inde i en atomreaktor, forskere har traditionelt brugt en metode kendt som "cook and look, "hvilket betyder, at materialet udsættes for høj stråling og derefter fjernes til en fysisk undersøgelse. Men den proces er så langsom, at den hæmmer udviklingen af ​​nye materialer til fremtidige reaktorer.

Nu, forskere ved MIT og Sandia National Laboratories har udviklet, testet, og stillede et nyt system til rådighed, der kontinuerligt kan overvåge strålingsinducerede ændringer, giver mere nyttige data meget hurtigere end traditionelle metoder.

Da mange atomkraftværker nærmer sig slutningen af ​​deres operationelle levetid i henhold til gældende regler, at kende tilstanden af ​​materialer inde i dem kan være afgørende for at forstå, om deres drift kan forlænges sikkert, og i så fald hvor meget.

Det nye laserbaserede system kan bruges til at observere ændringer i materialernes fysiske egenskaber, såsom deres elasticitet og termiske diffusivitet, uden at ødelægge eller ændre dem, siger forskerne. Resultaterne er beskrevet i tidsskriftet Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B i et oplæg af MIT -doktorand Cody A. Dennett, professor i atomvidenskab og teknik Michael P. Short, og teknolog Daniel L. Buller og videnskabsmand Khalid Hattar fra Sandia.

Det nye system, baseret på en teknologi kaldet forbigående gitterspektroskopi, bruger laserstråler til at undersøge små ændringer på et materiales overflade, der kan afsløre detaljer om ændringer i strukturen i materialets indre. To år siden, Dennett og Short tilpassede tilgangen til at overvåge strålingseffekter. Nu, efter omfattende test, systemet er klar til brug af forskere, der undersøger udviklingen af ​​nye materialer til næste generations reaktorer, eller dem, der ønsker at forlænge levetiden for eksisterende reaktorer gennem en bedre forståelse af, hvordan materialer nedbrydes over tid under det barske strålingsmiljø inde i reaktorbeholdere.

Den gamle måde at teste materialer på for deres reaktion på stråling var at eksponere materialet i nogen tid, så tag den ud og "slå den i stykker for at se, hvad der skete, "Forklarer Dennett. I stedet "Vi ville se, om du kunne opdage, hvad der sker med materialet under processen, og udlede, hvordan mikrostrukturen ændrer sig. "

Metoden til forbigående gitterspektroskopi var allerede blevet udviklet af andre, men det var ikke blevet brugt til at lede efter virkningerne af strålingsskader, såsom ændringer i materialets evne til at lede varme og reagere på spændinger uden at revne. Tilpasning af teknikken til de unikke og barske strålingsmiljøer krævede mange års udvikling.

For at simulere virkningerne af neutronbombardement - den type stråling, der forårsager størstedelen af ​​materialets nedbrydning i et reaktormiljø - bruger forskere sædvanligvis ionstråler, som forårsager en lignende slags skader, men er meget lettere at kontrollere og sikrere at arbejde med. Teamet brugte en 6 megavolt ionaccelerator i Sandia som grundlag for det nye system. Disse typer faciliteter fremskynder testning, fordi de kan simulere års operationel neutroneksponering på få timer.

Ved at bruge systemets overvågning i realtid, Dennett siger, det er muligt at udpege det tidspunkt, hvor de fysiske ændringer i materialet begynder at accelerere, som har en tendens til at ske ret pludseligt og hurtigt skrider frem. Ved at stoppe eksperimentet på det tidspunkt, det er så muligt at studere i detaljer, hvad der sker i dette kritiske øjeblik. "Dette giver os mulighed for at målrette mod de mekanistiske årsager bag disse strukturelle ændringer, " han siger.

Short siger, at systemet kunne udføre detaljerede undersøgelser af ydelsen af ​​et givet materiale i løbet af få timer, der henviser til, at det ellers kan tage måneder bare at komme igennem den første iteration for at finde det punkt, hvor nedbrydning indtræder. For en fuldstændig karakterisering, konventionelle metoder "kan tage et halvt år, versus en dag "ved hjælp af det nye system, han siger.

I deres test af systemet, holdet brugte to rene metaller - nikkel og wolfram - men anlægget kan bruges til at teste alle slags legeringer samt rene metaller, og kunne også teste mange andre slags materialer, siger forskerne. "En af grundene til, at vi er så begejstrede her, "Dennett siger, er, at når de har beskrevet denne metode på videnskabelige konferencer, "alle vi har talt med siger 'kan du prøve det på mit materiale?' Alle har en idé om, hvad der vil ske, hvis de kan teste deres egne ting, og så kan de bevæge sig meget hurtigere i deres forskning. "

De faktiske målinger foretaget af systemet, som stimulerer vibrationer i materialet ved hjælp af en laserstråle og derefter bruger en anden laser til at observere disse vibrationer på overfladen, direkte undersøge materialets elastiske stivhed og termiske egenskaber, Dennett forklarer. Men denne måling kan derefter bruges til at ekstrapolere andre relaterede egenskaber, herunder ophobning af defekter og skader, han siger. "Det er, hvad de fortæller dig om de underliggende mekanismer", der er mest vigtigt.

Den unikke facilitet, nu i drift hos Sandia, er også genstand for teamets løbende arbejde med yderligere at forbedre dets evner, Dennett siger. "Det er meget forbedringsbart, " han siger, tilføjer, at de håber at tilføje flere forskellige diagnostiske værktøjer til at undersøge flere egenskaber ved materialer under bestråling.

Arbejdet er "en smart teknisk tilgang, der gør det muligt for forskere at karakterisere reaktionerne fra en række materialer på strålingsskader, "siger Laurence J. Jacobs, professor og lektor for akademiske anliggender ved Georgia Tech, som ikke var involveret i undersøgelsen. Han siger, at det er "et fremragende stykke forskning om en ikke -kontakt, ikke-destruktiv evalueringsteknik, der muliggør realtid, in situ overvågning af de mekaniske egenskaber af et materiale, der udsættes for ionstrålebestråling. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.