Hvordan langvarig strålingseksponering skader atomreaktorer

Ny forskning fra Texas A&M University-forskere kan hjælpe med at øge effektiviteten af ​​atomkraftværker i den nærmeste fremtid. Ved at bruge en kombination af fysikbaseret modellering og avancerede simuleringer fandt de de vigtigste underliggende faktorer, der forårsager strålingsskader på atomreaktorer, som derefter kunne give indsigt i at designe mere strålingstolerante, højtydende materialer.

"Reaktorer skal køre med enten højere effekt eller bruge brændstoffer længere for at øge deres ydeevne. Men så, ved disse indstillinger, øges risikoen for slid også," siger Dr. Karim Ahmed, adjunkt ved Institut for Nuklear Engineering. "Så der er et presserende behov for at komme med bedre reaktordesign, og en måde at nå dette mål på er ved at optimere de materialer, der bruges til at bygge atomreaktorerne."

Resultaterne af undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Frontiers in Materials .

Ifølge Department of Energy overgår atomenergi alle andre naturressourcer i kraftproduktion og tegner sig for 20% af USA's elproduktion. Kilden til kerneenergi er fissionsreaktioner, hvor en isotop af uran spaltes i datterelementer efter et hit fra hurtigt bevægende neutroner. Disse reaktioner genererer enorm varme, så dele af atomreaktorer, især pumperne og rørene, er fremstillet af materialer med enestående styrke og modstandsdygtighed over for korrosion.

Spaltningsreaktioner producerer dog også intens stråling, der forårsager en forringelse af atomreaktorens strukturelle materialer. På atomniveau, når energetisk stråling infiltrerer disse materialer, kan den enten slå atomer af fra deres placeringer, forårsage punktdefekter eller tvinge atomer til at tage ledige pletter og danne interstitielle defekter. Begge disse ufuldkommenheder forstyrrer det regelmæssige arrangement af atomer i metalkrystalstrukturen. Og så, hvad der starter som små ufuldkommenheder vokser til at danne hulrum og dislokationsløkker, hvilket kompromitterer materialets mekaniske egenskaber over tid.

Mens der er en vis forståelse for typen af ​​defekter, der opstår i disse materialer ved strålingseksponering, sagde Ahmed, at det har været besværligt at modellere, hvordan stråling sammen med andre faktorer, såsom temperaturen af ​​reaktoren og materialets mikrostruktur, sammen bidrage til dannelsesfejlene og deres vækst.

"Udfordringen er de beregningsmæssige omkostninger," sagde han. "Tidligere har simuleringer været begrænset til specifikke materialer og for områder, der spænder over et par mikrometer på tværs, men hvis domænestørrelsen øges til endda 10s mikron, springer den beregningsmæssige belastning drastisk."

Især sagde forskerne at kunne rumme større domænestørrelser, tidligere undersøgelser har gået på kompromis med antallet af parametre i simuleringens differentialligninger. Men en uønsket konsekvens af at ignorere nogle parametre frem for andre er en unøjagtig beskrivelse af strålingsskaden.

For at overvinde disse begrænsninger designede Ahmed og hans team deres simulering med alle parametrene uden at antage, om den ene af dem var mere relevant end den anden. Til at udføre de nu beregningsmæssigt tunge opgaver brugte de også ressourcerne leveret af Texas A&M High Performance Research Computing-gruppen.

Efter at have kørt simuleringen afslørede deres analyse, at brug af alle parametre i ikke-lineære kombinationer giver en nøjagtig beskrivelse af strålingsskader. Især ud over materialets mikrostruktur er strålingstilstanden i reaktoren, reaktordesignet og temperaturen også vigtige for at forudsige ustabiliteten i materialer på grund af stråling.

På den anden side belyser forskernes arbejde også, hvorfor specialiserede nanomaterialer er mere tolerante over for hulrum og dislokationsløkker. De fandt ud af, at ustabiliteter kun udløses, når grænsen, der omslutter klynger af co-orienterede atomære krystaller, eller korngrænsen, er over en kritisk størrelse. Så nanomaterialer med deres ekstremt fine kornstørrelser undertrykker ustabiliteter og bliver derved mere strålingstolerante.

"Selvom vores er et grundlæggende teoretisk og modelleringsstudie, tror vi, at det vil hjælpe det nukleare samfund med at optimere materialer til forskellige typer af atomenergianvendelser, især nye materialer til reaktorer, der er sikrere, mere effektive og økonomiske," sagde Ahmed. "Denne fremgang vil i sidste ende øge vores rene, kulstoffrie energibidrag."

Dr. Abdurrahman Ozturk, forskningsassistent i afdelingen for nuklear ingeniørarbejde, er hovedforfatteren af ​​dette arbejde. Merve Gencturk, en kandidatstuderende i atomingeniørafdelingen, bidrog også til denne forskning.