Name: Laser-Heizung und Ausstrahlung Spektrometrie für die Untersuchung von Kernmaterial in Bedingungen simulieren einen Atomkraftwerksunfall (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-12-14T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 18 s
Description: Erfahren Sie, wie Laserheizung und Emissionsspektrometrie das Schmelzverhalten von Kernreaktormaterialien bei extremen Temperaturen untersuchen. Diese Methode liefert wertvolle Erkenntnisse für die nukleare Sicherheit.

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Die Autoren sind verpflichtet, der Europäischen Kommission für die Finanzierung der gegenwärtigen Forschung unter seiner institutionellen Forschungsprogramme. Darüber hinaus Bestandteil der vorliegenden Untersuchung wurde finanziert durch die EG 6th Rahmenprogramm unter der F-Brücke-Projekt und 7th FP unter die sichersten und sanfte Projekte.

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</ol>

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Die Laser-Heizung Strahlung Spektroskopie Technik hier vorgestellten ist anerkannt als eine innovative und effektive Methode zur Untersuchung von sehr hohen Temperaturen und schmelzenden Verhalten von feuerfesten Materialien15, 16. Dank seiner abgelegenen und fast Container-weniger Natur ist es besonders geeignet für die experimentelle Untersuchung der radioaktiven Kernmaterial und die Simulation von Kern Kernschmelze Unfälle in Kernkraftwerken, dargestellt durch die hier vorgestellten Beispielergebnisse.
Während die Auswertung experimentelle Daten mit der aktuellen Methode erhalten, sollte man ohne Zweifel vorsichtig über die korrekte Zuordnung der experimentellen Punkte, Phasenübergänge. In der Tat, kann bei sehr hohen Temperaturen, materielle Kinetik extrem schnell, und mehrere schwer kontrollierbare Phänomene auftreten, wie z. B. nicht kongruent Verdampfung, Trennung, zusammengesetzte Dissoziation. Wie der Vergleich mit herkömmlichen Heizmethoden (wie Induktionsöfen) belegt, begründet, warum das mögliche Auftreten dieser Phänomene eine schnelle Erwärmung und Kühlung Technik wie die jetzige. Auf der anderen Seite ergeben sich Zweifel über die effektive Stabilisierung des thermodynamischen Gleichgewichts-Bedingungen unter den gegenwärtigen Bedingungen der Heizung. Wie im Abschnitt Verfahren erläutert, können solche Bedingungen während der schnellen Laser-Heizung Teil der thermischen Zyklen garantiert werden. Thermodynamischen Gleichgewichtsbedingungen sind jedoch sicherlich auf der Kühlung Bühne produziert. Diese Aussage wurde validiert mit Hilfe von Computer-Codes, die die aktuelle Experimente simulieren und basiert auf in der Nähe von Gleichgewicht Masse und Wärme Diffusion in Anwesenheit von lokalen Phase Übergänge11. Dennoch, thermodynamischen Gleichgewicht, die Bedingungen immer experimentell, in der Regel gegengeprüft sollte werden durch die Messung gut bewerteten phase Übergangstemperaturen in Verbindungen, die als Referenz genommen werden kann. Dies wurde in der vorliegenden Arbeit mit den schmelzen/erstarren Punkten UO2, W, Mo (empfohlen als sekundäre Referenz-Temperaturen in die Internationale Temperaturskala von 199017,18,19) realisiert, und der eutektischen ZrC-C-9. Diese Referenz Messpunkte ist auch notwendig, um die Genauigkeit und die Unsicherheit des derzeitigen Konzepts zu bewerten.
Angesichts der extremen Bedingungen und Phänomene, die in den Experimenten, Laser-Heizung produziert ist eine präzise Unsicherheitsanalyse von größter Bedeutung für die Verwendbarkeit der Daten hergestellt. Für erfolgreiche Messkampagnen sollte die kumulierte Unsicherheit beeinflussen die aktuelle Phase Übergang Temperaturdaten ±1 % der absoluten Temperatur, mit einem 2-Standard-Abweichung Erweiterungsfaktor (95 % Konfidenzintervall) betragen. Solche Unsicherheit Banden können größer sein für komplizierte Materialien, wo, kann z. B. nicht kongruent Verdampfung der tatsächlichen Probenzusammensetzung in unkontrollierbarer Weise während der Experimente ändern. Solche Unsicherheiten sollte der Fehler durch die Kalibrierung, die NSE-Bestimmung, die Probe Stabilität (d. h. die Wiederholbarkeit über aufeinanderfolgende Laserschüsse der Experimentierphase Übergangstemperaturen) usw. berücksichtigen. Ein Beispiel der Unsicherheitsanalyse für das schmelzen/einfrieren Punkt der PuO-2 wird in Tabelle 1 gemeldet. Die verschiedenen Beiträge der Unsicherheit können als unabhängig und nach dem Fehler Vermehrung Gesetz3kombinierte betrachtet werden.
<img alt="Table 1" src="/files/ftp_upload/54807/54807table1.jpg"> 
Tabelle 1: Beispiel der Unsicherheitsanalyse für das schmelzen/einfrieren Punkt der PuO-2 (Referenz13). Die Bedeutung und den Wert von C2 wird im Abschnitt "Einführung" mit den Kommentaren auf Gleichung 1 gemeldet. Δελ steht hier für zwei Standardabweichungen um den experimentellen Durchschnittswert für ελ durch den Einbau von experimentellen Ausstrahlung Spektren innerhalb der grauen Körper Annahme gewonnen. ΔTc und δTd repräsentieren zwei Standardabweichungen rund um die durchschnittliche Stehleuchte hochgerechneten Temperaturkurve und der durchschnittliche experimentelle Erstarrung Temperaturwert.
Auf die vorliegenden experimentellen Ansatz können einige Verbesserungen vorgenommen werden. Insbesondere ermöglicht den Druckbehälter mit einem Massenspektrometer durch ein komplexes Rohrsystem verbinden die Erkennung, zumindest qualitativ Artenvielfalt in der Dampf-Plume, veröffentlicht durch das heiße Material. Darüber hinaus ist die Durchführung einer Thermo-Kamera für die zweidimensionale Studie der Temperaturverteilung über die heißen Probenoberfläche vorgesehen, um möglich Inhomogenitäten und Segregation Effekte zu erkennen. Zu guter Letzt sind Verbesserungen des Sicherheitssystems gebaut rund um die aktuellen Geräte vorgesehen. Eigentlich eignet sich die aktuelle Plexiglas-Glove-Box hier verwendet für die Untersuchung von hoch radioaktives Material wie Uran und die Transurane, dank der Tatsache, dass es effektiv α-Strahlung blockiert. Dieses Schild ist jedoch nicht ausreichend sicher für die Untersuchung von starken γ-Strahler, wie die Nuklide in echte bestrahlter Brennelemente enthalten. Eine neue Anlage einschließlich einer Blei-von Mauern umgebene Zelle ist für die Untersuchung von abgebrannter Brennelemente aus wirklichen KKW vorgesehen.

Obwohl die Kernspaltung im großen und ganzen als eine viel versprechende groß angelegte, praktisch unerschöpfliche Energiequelle präsentiert wird, ist seine volle Akzeptanz noch durch einige Sicherheit, Sicherheit und Schutz Risiken ins Stocken geraten. Der experimentelle Ansatz präsentiert dieser Arbeit soll einige grundlegende Materialwissenschaft Fragen in Bezug auf eines dieser Risiken, das Auftreten von schweren Unfällen (SAs) führt zu Kernschmelzen in einem Kernkraftwerk (KKW). Dies führt zu einem möglichen Release-hochradioaktives Material in die Umgebung, mit schweren Folgen, sowohl für die Gesundheit der Menschen und die Wirtschaft des Landes. Major SAs dieser Art aufgetreten sind dreimal im KKW in Three Mile Island (USA, 1979), Tschernobyl (UdSSR, 1986) und Fukushima (Japan, 2011). Daher NPP SAs stehen im Mittelpunkt von erheblicher Forschungsbedarf in wenigen Einrichtungen weltweit, umfasst viele herausfordernde Phänomene und durch sehr hohe Temperaturen (oft mehr als 3.000 K) und das Vorhandensein von radioaktiven Materialien erschwert.
In diesem Szenario erfordert eine neue Richtlinie durch den Europäischen Rat1 EU-Länder, die höchste Priorität für die nukleare Sicherheit in allen Phasen des Lebenszyklus eines Kernkraftwerks zu geben. Dazu gehören Sicherheitsbewertungen vor dem Bau von neuen Kernkraftwerken durchführen und gleichzeitig erhebliche Sicherheit Verbesserungen für alte Reaktoren.
In diesem Zusammenhang ein kontrollierter Atmosphäre, Laser-Heizung und schnelle Ausstrahlung Spectro-Pyrometry Anlage2,3,4 implementiert wurde, an die Europäische Kommission Gemeinsame Forschungsstelle Institut für Transurane für die Labor-Simulation auf einem kleinen Maßstab des KKW Kernschmelze. Aufgrund der begrenzten Stichprobe-Größe (in der Regel auf einer cm - und 0,1-g-Skala) und der hohe Wirkungsgrad und abgelegenen Natur Laser Heizung, dieser Ansatz erlaubt schnelle und effektive Hochtemperatur-Messungen an realen Kernmaterial einschließlich Plutonium und minor Actin-haltigen Kernspaltung Brennstoff Proben. In dieser Hinsicht, und in seiner Fähigkeit, eine große Menge von Daten über die Materialien unter extremen Bedingungen zu produzieren ist die aktuelle experimentelle Methode weltweit als einzigartig anerkannt. In der Tat, wurden andere ergänzende Untersuchungsmethoden anhand der Induktionserwärmung zu leiden, die schnelle Hochtemperatur-Wechselwirkungen zwischen Material und Containment Probe5gezeigt. Darüber hinaus Wenn solche Techniken ermöglichen und vor allem größere Mengen an Material für die Analyse benötigen, sind sie weniger geeignet als das vorliegende Verfahren zur Untersuchung von echten Kernmaterial, aufgrund der hohen Radioaktivität und der begrenzten Verfügbarkeit der Proben.
In den aktuellen Tests (in Abbildung 1 schematisiert) wird eine Probe in ein kontrollierter Atmosphäre Autoklav in ein α-abgeschirmt Glove-Box enthaltenen montiert mit einem 4,5-kW CW nd: YAG Laser erhitzt.
<img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig1.jpg"> 
Abbildung 1: Laser-Heizung und Ausstrahlung Spectro-Pyrometry Versuchsanordnung. Die Probe wird mit Graphit (oder Wolfram oder Molybdän) Schrauben in einem gasdichten Behälter unter kontrollierter Atmosphäre befestigt. Das Bild in der unteren linken Ecke berichtet zeigt als Beispiel eine PuO2 Festplatte mit Graphit-Schrauben befestigt. Wenn die Probe radioaktiven ist, sollte das Schiff in einer Alpha-tight Handschuhfach montiert werden. Die Probe wird beheizt durch eine 4,5 kW nd: YAG-Laser bei 1.064 nm. Eine schnelle Zweikanal-Pyrometer dient zur Erfassung von Temperatur der Probe und das reflektierte Signal aus einem energiesparender Ar+ -Laser. Ein langsamer Mehrkanal Spectro-Pyromenter wird für in Situ Analyse der optischen Eigenschaften der heiße Probe eingesetzt. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
Strahlung-Pyrometer messen der Probe Ausstrahlung Lex. Dies ist die elektromagnetische Strahlung Leistungsdichte pro Einheit Oberfläche, Wellenlänge und Raumwinkel abgegebene Probe bei einer gegebenen Temperatur6. Es ist mit der Probe-Oberflächentemperatur T durch eine modifizierte Planck-Funktion verknüpft:

<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/54807/54807equation1.jpg">
wo Lλ die Strahlungs macht, ελ ist die spektrale Emissionsgrad, C1 = 2· h· C0 2 ist die erste Strahlung konstant C2 = h· C0/kB = 14.388 µm· K ist die zweite konstante Strahlung, C0 ist die Geschwindigkeit von Licht im Vakuum, h ist Plancksche Konstante und kB Boltzmann-Konstante. Die spektrale Emissionsgrad nimmt berücksichtigt die Tatsache, die ein reale Körper ausstrahlen wird, bei einer bestimmten Wellenlänge und Temperatur, nur einen Bruchteil von der Sonnenleistung ein idealer schwarzer Körper bei gleicher Temperatur gleich. Daher nimmt Werte zwischen 0 und 1 mit 1 entspricht idealer schwarzer Körper bei dem Planck-Gesetz abgeleitet wurde. Da Pyrometer in der vorliegenden Arbeit immer in der Nähe von Normal in Bezug auf die Probenoberfläche eingerichtet wurden und die Abhängigkeit Winkel ελ galt nicht als "Emissionsvermögen" immer wird beziehen sich auf normale spektraler Emissionsgrad (NSE). Das NSE muss ermittelt werden, um zu konvertieren, durch Gleichung 1 und ein Pyrometer Kalibrierverfahren Lex in Absolute Temperatur T.
Die Probentemperatur Erkennung erfolgt anhand einer schnellen Pyrometer kalibriert gegen Standard-Lampen bis zu 2500 K bei λ = 655 nm und. Eine zusätzliche 256-Kanal Ausstrahlung Spectro-Pyrometer zwischen 515 nm und 980 nm wurde für das Studium der NSE (ελ) der Probe eingesetzt. Bestimmung der NSE ist durch den Abschluss einer nichtlinearen Anfall von thermischen Emissionsspektrum mit Gleichung 12, 3, T und ελ wird nur zwei freie Parameter möglich. Dieser Ansatz hat nachgewiesen, dass akzeptabel genau in feuerfesten Materialien7 wie die in der Regel in einem KKW vorhanden sein für die NSE davon auszugehen ist sein Wellenlänge-unabhängige (graue Körper Hypothese) auf einem breiten Spektralbereich. Sobald die Temperatur der Probe Laser erhitzt korrekt als Funktion der Zeit gemessen wird, kann die thermische Analyse auf die resultierende Temperatur-Zeit-Kurve (Thermogramm) durchgeführt werden.Beugungen oder thermische Verhaftungen in der Thermogramme geben Informationen über Phasenübergänge (Solidus, Liquidus und isothermen Phasenumwandlungen). Außerdem ermöglicht direkte Spektralanalyse des Radiance Lex durch die heiße Probe emittiert nicht nur notwendig für die NSE-Bestimmung, auch eine Studie in Situ zu einigen optischen Eigenschaften der untersuchten Fläche. Dies stellt ein weiteres unterstützendes Tool zur Identifizierung von Hochtemperatur-Phänomene, wie Phasenübergänge, chemische Reaktionen zwischen kondensierten Materialien und der Gasphase oder Segregation Effekte. Eine weitere Technik namens spiegelt sich Lichtsignal (RLS) Analyse2, 3 verwendet wird, um die Phasenübergänge bestätigen. Es erfolgt mithilfe des zweiten Kanals das Pyrometer abgestimmt auf eine Low-Power (1W) Ar+ Laser (λ = 488 nm). Dieser Kanal erkennt den Laserstrahl mit Ursprung aus dem Hohlraum Ar+ und von der Probenoberfläche reflektiert. Ein konstantes RLS-Signal zeigt eine feste Oberfläche, während zufällige Schwankungen erscheinen nach dem Schmelzen aufgrund der Oberflächenspannung-induzierten Schwingungen auf die Oberfläche der flüssigen Probe.
In der Regel wassergekühlten Reaktoren mit Festbrennstoff-Elemente, derzeit die häufigste Art des KKW, besitzen vier aufeinander folgenden Hindernisse für die Eindämmung von Radioaktivität8sicherzustellen. Die erste Hürde ist, dass der Brennstoff Pellet selbst, dank seiner kristallinen Struktur und Mikro-makroskopische Porosität, die solide Spaltprodukte und ein Teil der flüchtigen, halten kann. Im Allgemeinen ist die gesamte Brennelement in einer Verkleidung aus Metall (Zircaloy oder Stahl) gelegt, das als Schutz-Zweitstufe arbeitet. Im Falle des Scheiterns der Verkleidung ist die dritte Barriere das ganze NPP innere Schiff, in der Regel durch eine Stahlwand, die ein paar cm dick (primäre System) beschränkt. Schließlich ist die Eindämmung Gebäude (m dicken Beton) die letzte Sicherheitsbarriere vor der Freisetzung in die Umwelt.
Bei Ausfall der Wasserkühlung kann ein KKW-SA statt, führt zu Überhitzung und Kernschmelze core. Eine Überhitzung ist zunächst durch Kernspaltung Wärme. Allerdings kann bei fehlender Kühlung, Überhitzung auch lange nach Beendigung der nuklearen Kettenreaktionen, wegen der Hitze verbleibende Zerfall der Spaltprodukte und andere hoch radioaktiven Arten enthalten in den Trümmern Rumpfkern fortsetzen. In der Regel startet Kern Schmelze aus dem zentralen Teil des Kraftstoff-Elements, wenn niedriger schmelzenden Verbindungen (möglicherweise Eutektika) an der Schnittstelle zwischen dem Kraftstoff und Verkleidung gebildet werden. Das erste Ziel der vorliegenden Untersuchung besteht aus festzustellen, ob solche niedriger schmelzenden Verbindungen in echte Kraftstoff-Fassadensysteme gebildet werden können, und in diesem Fall, was die daraus resultierenden schmelzende Temperatur Depression wäre. Um diese Frage zu beantworten, sollte das Schmelzverhalten von reinen und gemischten Kraftstoff Verbindungen zuerst fundiert beurteilt die stellt somit eines noch wichtigen Ziel des aktuellen Ansatzes. Wenn Kraftstoff und Verkleidung miteinander verschmelzen, die flüssige Masse schnell fallen auf den Boden des primären Schiffes und beginnen mit der Stahlwand und mit dem restlichen Wasser und Dampf, zu reagieren, falls vorhanden. In diesem Stadium Stahl kann auch zusammen mit dem Kraftstoff/Verkleidung geschmolzen werden heiße Mischung. Die resultierende Lava-ähnliche Flüssigkeit nennt man "Lederhaut". Diese heiße, hoch radioaktive Mischung kann außerhalb der Austritte diffundieren, wenn die Stahlwand durch geschmolzen ist und am Ende sogar mit dem Beton bilden die meisten externe Barriere zu reagieren. Die erhöhte Hitze und der hohen Reaktivität der Artenvielfalt in der Lederhaut führt zu Wasser Dissoziation und die Erzeugung von Wasserstoff. Dadurch könnte ein zusätzliches Risiko von Dampf und Wasserstoff-Explosionen (vgl. die SAs in Three Mile Island und Fukushima), schwere Oxidation oder (seltener) Hydratation der Lederhaut Masse und die NPP Strukturmaterialien. Die aktuelle experimentelle Methode erlaubt die Trennung und experimentelle Analyse von mehreren der vielen komplexen physikalisch-chemischen Mechanismen im Zusammenhang mit der beschriebenen Sequenz von Ereignissen. Neben der erwähnten reinen Komponente schmelzen Analyse und Kraftstoff-Verkleidung Interaktion, mehrere Hochtemperatur-Interaktion, die Mechanismen wie z. B. vereinfachte Systeme untersucht werden können zwischen Pu-haltigen Kraftstoff und Stahl zwischen Brennstoff und Beton, etc. Corium Bildung kann potenziell studiert werden, in Anwesenheit von verschiedenen Atmosphären (inertes Gas, Luft, Spuren von Wasserstoff oder Dampf), produzieren wichtige Referenzdaten für ein umfassendes Verständnis der SAs.
Der bisherige Ansatz eignet sich besonders für die Laboruntersuchung von hochschmelzenden Materialien, auch für die erfolgreiche Analyse der anderen und innovativer Arten von Kernbrennstoffen (z. B. basierend auf Uran Karbide oder Nitride) beschäftigt und anderen feuerfesten Verbindungen, wie Zirkon9, Tantal und Hafnium Karbide, metallische Superlegierungen, Calciumoxid10.

<table><tbody><tr><td>Zweikanaliges Schnellpyrometer</td><td>Privat montiert</td><td></td><td>Schnelles Pyrometer. Fotodiodendetektoren bei 650 nm und 488 nm, bestückt mit Fokussierobjektiv und schnellem logarithmischen Verstärker.</td></tr><tr><td>Laser TRUMPF HLD4506, TRUMPF,&nbsp;</td><td>TRUMPF Schramberg, Deutschland</td> HLD4506 <td>Heizmittel</td><td></td></tr><tr><td>CDI-Spektrometer</td><td>CDI</td><td>Optische Spektrographenkarte, 256 Kanäle</td><td>Multiwellenlängen-Spektro-Pyrometer-Array</td></tr><tr><td>Ar+ Laser</td><td>Ionenlasertechnologie</td><td>5500A-00</td><td>0,75 W RLS-Laser</td></tr><tr><td>Oszilloskop NICOLET</td><td>NICOLET, Madison, Wi, USA</td><td>Pro 44C Transient Digitizer</td><td>AD-Wandler, Datenerfassungssystem</td></tr><tr><td>SETNAG Sauerstoffanalysator</td><td>SETNAG, Marseille, Frankreich</td><td>JC24V-M</td><td>ZrO2 elektrochemische Zelle für die Sauerstoffanalyse im Autoklaven</td></tr><tr><td>Schwarzkörperquelle</td><td>POLYTECH CI Waldbronn, Deutschland</td><td>Kundenspezifische</td><td>Schwarzkörperquelle für die Kalibrierung von Spektro-Pyrometern</td></tr><tr><td>Standard-Kalibrierlampen</td><td>POLARON, Watford, UK</td><td>P.224c und P213c</td><td>Lampen für die Kalibrierung von Pyrometern und Spektro-Pyrometern</td></tr></tbody></table>

laser-heizung und ausstrahlung spektrometrie für die untersuchung von kernmaterial in bedingungen simulieren einen atomkraftwerksunfall

Laser-heating and Radiance Spectrometry for the Study of Nuclear Materials in Conditions Simulating a Nuclear Power Plant Accident

Große und schwere Unfälle sind dreimal in Kernkraftwerken (KKW) in Three Mile Island (USA, 1979), Tschernobyl (UdSSR, 1986) und Fukushima (Japan, 2011) aufgetreten. Forschung über die Ursachen, Dynamik und folgen dieser Pannen wurde in einigen Laboren weltweit in den letzten drei Jahrzehnten durchgeführt. Gemeinsame Ziele der solche Forschungsaktivitäten sind: die Prävention von diese Art von Unfällen, sowohl in bestehenden und potenziellen neuen Kernkraftwerken; die Minimierung ihrer eventuellen Folgen; und schließlich, ein umfassendes Verständnis der tatsächlichen Risiken mit KKW verbunden. Bei der Europäischen Kommission Gemeinsame Forschungsstelle Institut für Transurane dient eine Laser-Heizung und schnelle Ausstrahlung Spectro-Pyrometry Anlage für die Labor-Simulation im kleinen Maßstab, der NPP Kernschmelzen, die häufigste Art von schweren Unfall (SA), die in einem Kernreaktor infolge einer Nichteinhaltung des Kühlsystems auftreten können. Dieses Simulations-Tool ermöglicht schnelle und effektive Hochtemperatur-Messungen auf echte nuklearen Materialien, wie Plutonium und kleinere Actin-haltigen Kernspaltung Brennstoff Proben. In dieser Hinsicht, und in seiner Fähigkeit, große Menge von Daten über die Materialien unter extremen Bedingungen zu produzieren ist der aktuelle experimentelle Ansatz sicherlich einzigartig. Für aktuelle und zukünftige Konzepte des KKW, Beispiel Ergebnisse auf das Schmelzverhalten von einige verschiedenen Arten von Kernbrennstoffen: Uran-Plutonium-Oxide, Karbiden und Nitriden. Ergebnisse auf die Hochtemperatur-Interaktion Oxid Brennstoffe mit Containment Materialien werden auch kurz dargestellt.

Abbildung 3 zeigt die wirkliche Temperatur Thermogramme auf Urandioxid mit verschiedenen Oxidierung gemessen (UO2 + X mit 0 &lt; x &lt; 0.21)2. Urandioxid ist wesentlicher Bestandteil der am häufigsten verwendeten Kraftstoff im aktuellen KKW. Seine Oxidation zu verschiedenen hyper-Stöchiometrie Sauerstoffgehalt kann in normalen und nicht normale Reaktor Bedingungen12auftreten. Mit der aktuellen Methode zeigte sich, dass UO2 Oxidation in einer dramatischen Abnahme der seine schmelzen/erstarren Punkt führen kann von bis zu 700 K. In diesem Fall musste Experimente unter einem ziemlich hoch inerten Gas-Druck (er bei 10 MPa) durchgeführt werden, um die sehr kongruent Verdampfung bei hohen Temperaturen zu unterdrücken.
<img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig3.jpg"> 
Abbildung 3: Thermogramme gemessen an Laser erhitzt stöchiometrischen und überstöchiometrische Urandioxid Proben (nach 2). Ein Beispielprofil Doppel-Puls-Laser ist in der Grafik dargestellt. Thermogramme sind für mehrere UO2 + X Kompositionen aufgenommen. Erstarrung Verhaftungen auftreten bei deutlich unterschiedlichen Temperaturen und mit unterschiedlichen Funktionen, je nach Zusammensetzung der Probe, die Entwicklung der Schmelz-/Einfrieren Temperatur und Erstarrung Dynamik in die U-O-System offenbart. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
Abbildung 4 zeigt Pyrometer (gerade Linie) und Spectro-Pyrometer Thermogramme auf Plutonium Kohlendioxid Probe Laser erhitzt unter oxidierenden Atmosphäre (Druckluft bei 0,3 MPa) aufgezeichnet. PuO2 ist auch eine wesentliche Kernbrennstoff-Komponente. In der gleichen Abbildung werden zwei Strahlen-Spektren von Spectro-Pyrometer bei verschiedenen Temperaturen gemessen auch in die Intarsien, zusammen mit Kurven, die Montage von experimentellen Daten und die entsprechenden Werte für T und ελ angezeigt. Dank der vorliegenden Studie wurde der PuO2 Temperatur schmelzen/einfrieren neu bewertet um 3.017 K ± 28 K, über 300 K höher als zuvor durch traditionellere Methoden angegeben werden. Diese Methoden ergab Ergebnisse sicherlich beeinflusst durch umfangreiche Hochtemperatur-Wechselwirkungen zwischen der Probe und Containment, ein Thema, das weitgehend mit dem heutigen Fernwärme Ansatz gelöst worden ist.
<img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig4.jpg"> 
Abbildung 4: Thermogramme auf Plutonium Kohlendioxid Probe Laser erhitzt über den Schmelzpunkt gemessen. Wichtigsten Grafik: die schwarzen durchgezogene Linie und die volle schwarze Kreise repräsentieren die Thermogramme bzw. auf eine PuO2 Probe unter oxidierenden Atmosphäre durch die schnelle Pyrometer und Multi-Wellenlänge Spectro-Pyrometer, aufgezeichnet. Die weißen Kreise repräsentieren die spektrale Sauerstoffschichten Werte erhalten durch den Einbau von experimentellen Ausstrahlung Daten mit Plancks Ausstrahlung Recht12. Zwei Einsätze zeigen Beispiel Spektren aufgezeichnet (schwarze Kreise) und (rote durchgezogene Linien) in flüssigen und Einfrieren PuO2, bzw. innerhalb der grauen Körper Annahme ausgestattet. Auf diesen Grundstücken ist der Radiance Lλ zum ersten Strahlung Konstante C1 der Einfachheit halber normalisiert. Die wichtigsten Thermogramm wurde mit einer durchschnittlichen konstant eine 0,83 erzielt. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
Abbildung 5 zeigt eine Reihe von Laser-Heizung Impulsen auf eine Mischung aus UO2 und ZrO2 unter verschiedenen Atmosphären durchgeführt. Dieser Test ist Vertreter der Bedingungen, die im Falle von einem versehentlichen Temperatur Ausflug in ein KKW produziert werden kann. Schmelzen/erstarren Punkt tritt bei einer gut wiederholbare Temperatur über aufeinander folgende Aufnahmen, wenn Experimente unter Argon durchgeführt werden. Auf der anderen Seite die schmelzen/erstarren Temperatur verringern über die Laserschüsse wenn Laser-Heizzyklen in Druckluft durchgeführt werden. Dies zeigt, dass im letzteren Fall wird die Probe immer während der Laser-Heizung-Behandlungen oxidiert. Außerdem tritt bei gemischten UO2- ZrO2 Oxide, eine Schmelzpunkt Depression in hyper-Stöchiometrie Sauerstoffbedingungen.
<img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig5.jpg"> 
Abbildung 5: Thermogramme gemessen UO2- ZrO2 Mischproben in unter Druck stehenden Argon und Luft. Schmelzen/erstarren Punkt tritt bei einer gut wiederholbare Temperatur über aufeinanderfolgenden Aufnahmen, wenn Experimente unter Argon (schwarze Thermogramme) durchgeführt werden. Auf der anderen Seite die schmelzen/erstarren Temperatur verringern über die Laserschüsse wenn Laser-Heizzyklen in Druckluft (grüne Thermogramme) durchgeführt werden. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
Ein weiteres Beispiel betrifft eine andere Art von Material, Uran-Dicarbide. Dies ist als möglich Material für ein alternatives Konzept von Kernbrennstoff, potenziell arbeiten bei höheren Temperaturen und erheblich reduziert das Risiko eines Unfalls Kernschmelze vorgesehen. Eine neue Komposition mit einem großen Überschuss von Kohlenstoff (nominell UC2,8) wurde zum ersten Mal mit dem aktuellen Ansatz14untersucht. In diesem Fall diente die UC2- C eutektische Temperatur, gegründet am 27,37 K ± 20 K als Ausstrahlung Referenz zusammen mit der kubisch-tetragonal (α→β) Solid-State-Übergang, fixiert auf 2.050 K ± 20 K. Das NSE der Kohlenstoff-reicher Verbindung wurde gemessen, um bis zu 0,7 bei 650 erhöhen nm, während der Wert ελ = 0,53 für reines Uran Dicarbide an der Grenze der eutektischen Region gegründet wurde. Dieser Anstieg war im Hinblick auf die Metallicpulverlacken der überschüssige Kohlenstoff analysiert und verwendet zur Bestimmung der Liquidustemperatur (3.220 ± 50 K für UC2,8). Durch schnelle Solid-State-Diffusion, auch begünstigt durch den kubisch, tetragonal Übergang konnte keine offensichtlichen Anzeichen einer eutektischen lamellaren Struktur nach dem abschrecken auf Raumtemperatur beobachtet werden. Eutektische Zusammensetzung der Oberfläche C/UC2 X könnte qualitativ, aber konsequent befolgt werden während des Kühlprozesses mit Hilfe der aufgezeichneten Ausstrahlung Spektren, wie in Abbildung 6 dargestellt ein und b.Interessant ist, zeigte die aktuelle NSE-Analyse, dass, während in der flüssigen Phase die externen Flüssigkeitsoberfläche fast ausschließlich von Uran Dicarbide konstituierte, schnell demixed Carbon auf Einfrieren bereichert haben. Demixed Carbon schien schnell in Richtung der inneren Masse zu migrieren, während weitere Kühlung. Am α→β Übergang deckt Uran Dicarbide wieder fast die gesamte Außenfläche. All diese Details auf das Werkstoffverhalten von sehr hohen Temperaturen sind wesentlich für die Analyse dieser Art von Verbindung im Falle eines unkontrollierten Temperaturanstieg im Reaktorkern. Sie waren nur auf der Grundlage der Ausstrahlung Spektroskopie Analyse abgeleitet, während sie für andere experimentelle Untersuchung-Technik kaum zugänglich wären.
<img alt="Figure 6" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig6.jpg"> 
Abbildung 6: Thermogramm und Ausstrahlung Spektren gemessen an einer UC2.8 Probe unter Druck stehendem Argon14. (a) die kühle Bühne ein Thermogramm aufgenommen auf einer UC-2,8 -Stichprobe. Vollkreise identifizieren die Zeitpunkte, an denen die Ausstrahlung Spektren von Spectro-Pyrometer aufgezeichnet wurden. (b) vier Beispiele von Ausstrahlung Spektren aufgenommen bei unterschiedlichen Temperaturen. Einer von ihnen belief sich im flüssigen UC2,8, während die anderen drei die thermische Verhaftungen in Abbildung 5a sichtbar entsprechen. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>

Wir präsentieren Experimente in die echte Kernbrennstoff, Verkleidung, und Containment Materialien sind Laser auf Temperaturen über 3.000 K erhitzt, während ihr Verhalten durch Ausstrahlung Spektroskopie und thermische Analyse untersucht wird. Diese Experimente simulieren im Labormaßstab, die Bildung einer Lava-Phase nach einem Kernreaktor Kernschmelzen.

Laser-Heizung und Ausstrahlung Spektrometrie für die Untersuchung von Kernmaterial in Bedingungen simulieren einen Atomkraftwerksunfall

Major and severe accidents have occurred three times in nuclear power plants (NPPs), at Three Mile Island (USA, 1979), Chernobyl (former USSR, 1986) and ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die frühen Stadien eines Kernschmelzunfalls in einem Kernkraftwerk im Labormaßstab zu simulieren und so das Schmelzverhalten bei der Bildung von Corium untersuchen zu können. Dieser experimentelle Ansatz hilft, zentrale Fragen der Unfallforschung in Kernkraftwerken zu beantworten. So kann man zum Beispiel die Temperaturen bestimmen, die je nach Atmosphäre zum Versagen der thermomechanischen Stabilität eines Kerns führen können.Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie aus der Ferne durchgeführt wird, was die Verwendung von echtem radioaktivem Material im Experiment ermöglicht. Obwohl diese Methode Einblicke in das Schmelzverhalten von Reaktorkernmaterialien geben kann, kann sie auch auf andere feuerfeste Keramiken, Hochtemperatur-Superlegierungen und Beschichtungen für die Luft- und Raumfahrt angewendet werden. Dies ist eine einzigartige Methode, um Materialien bei extrem hohen Temperaturen für kurze Zeit zu untersuchen.Es ist daher sehr nützlich, um thermodynamische Gleichgewichtsreferenzzustände für das beobachtete Materialverhalten zu ermitteln. Kalibrieren Sie zunächst das schnelle Zweikanal-Pyrometer und das Spektro-Pyrometer mit Referenz-Normallampen. Bestimmen Sie die Kalibrierkonstanten.Montieren Sie die Probe in einem abgeschirmten Handschuhfach mit optischen Qualitätsfenstern in einer Halterung mit Hochtemperatur-Zirkonoxidkleber oder Graphit-, Molybdän- oder Wolframschrauben. Legen Sie die Probe horizontal in einen Autoklavenreaktor mit kontrollierter Atmosphäre und Fenstern in optischer Qualität. Befestigen Sie den Autoklaven auf einer optischen Platine im Handschuhfach.Montieren Sie ein laserabsorbierendes Graphitsieb hinter dem Autoklaven. Um die Temperaturhomogenität zu gewährleisten, wählen Sie Linsen für die Fokussiereinheit, um einen Laserspot zu erzeugen, der mindestens 10-mal größer ist als der Pyrometer-Visierpunkt. Koppeln Sie dann die Fokussiereinheit an ein faseroptisches Hochleistungslasersystem und achten Sie darauf, die Glasfaserlinien nicht zu knicken.Schalten Sie den roten Pilotlaser mit geringer Leistung ein und richten Sie den Strahl so aus, dass der Spot auf der Probe im Autoklaven zentriert ist. Schalten Sie dann den Argon-Ionen-Laser ein. Richten Sie den Laser so aus, dass sich der blaue Fleck in der Mitte des roten Pilotlaserpunkts auf der Probe befindet.Das Zweikanal-Pyrometer und das Spektro-Pyrometer werden auf dem optischen Tisch in einer Linie mit der Probe montiert. Überprüfen Sie, ob die Objektive korrekt auf die Probe ausgerichtet sind. Richten Sie dann eine fasergekoppelte Lichtquelle in das Okular des Zweikanal-Pyrometers und überprüfen Sie, ob ein scharf definierter Sichtpunkt auf die Probenoberfläche projiziert wird.Stellen Sie das Pyrometer so ein, dass der Visierpunkt innerhalb der roten und blauen Laserpunkte zentriert ist. Richten Sie das Spektro-Pyrometer mit der gleichen Technik aus. Überprüfen Sie dann die Probenoberfläche, das Handschuhfach und die Autoklavenfenster auf Parasitenreflexionen des roten Pilotlasers.Platzieren Sie Graphitsiebe überall dort, wo Parasitenreflexionen auftreten. Evakuieren Sie anschließend den Autoklaven und füllen ihn fünfmal mit der Reaktionsatmosphäre auf. Füllen Sie dann den Autoklaven mit der Reaktionsatmosphäre auf den gewünschten Druck.Warten Sie, bis sich das Sauerstoffpotenzial stabilisiert hat, bevor Sie mit dem Experiment fortfahren. Verbinden Sie beide Pyrometer und das Hochleistungs-Laserpotentiometer mit einem Oszilloskop, das als Analog-Digital-Wandler fungiert. Schließen Sie das Oszilloskop an einen Computer an.Stellen Sie in der Oszilloskop-Software die Parameter in den Datenerfassungstriggern ein. Geben Sie die Kalibrierkonstanten für das Pyrometer und das Spektropyrometer ein. Erstellen Sie in der Hochleistungslasersoftware ein neues Heizprogramm.Wenn der Schmelzpunkt der Probe höher als 2.500 Kelvin ist, starten Sie das Programm mit einer Vorwärmstufe auf eine geeignete Leistung. Definieren Sie als Nächstes Zyklen von drei bis vier schnellen Laserschüssen, um die Probe weit über ihre Schmelztemperatur zu erhitzen. Die Probe muss während eines Zyklus über Raumtemperatur bleiben.Erstellen Sie zusätzliche Zyklen mit unterschiedlicher Laserpulsintensität und -dauer. Testen Sie dann von einem entsprechend abgeschirmten Kontrollraum aus das Laserheizprogramm, und die Datenerfassung wird ausgelöst, indem Sie auf einen wassergekühlten Graphitabsorber schießen. Stellen Sie sicher, dass das Auslösesystem ordnungsgemäß funktioniert und dass die Daten erfasst werden.Sobald das System fertig ist, entfernen Sie die Graphitabschirmung, indem Sie den Laserweg vom Absorber zur Probe ändern. Deaktivieren Sie den roten Pilotlaser und aktivieren Sie den Hochleistungslaser. Starten Sie das Heizprogramm.Nach der Vorwärmphase im Heiz-/Kühlzyklus unterbrechen Sie das Programm und überprüfen das Aussehen der Probe. Vergewissern Sie sich, dass die experimentellen Thermogramme das erfolgreiche Schmelzen und Erstarren der Probe anzeigen. Wenn die Probe intakt ist, führen Sie mehrere weitere Heiz-/Kühlzyklen durch und überprüfen Sie die Probe nach jedem Zyklus.Setzen Sie diesen Vorgang fort, bis die Probe geschmolzen oder zerbrochen ist. Wenn das Experiment beendet ist, schalten Sie den Hochleistungslaser aus, entlüften Sie den Autoklaven und lassen Sie ihn bei Atmosphärendruck stabilisieren. Übertragen Sie die Probe und die Probenfragmente aus dem Autoklaven in einen abgeschirmten Behälter zur späteren Charakterisierung.Verwenden Sie Ethanol und Labortücher, um den Innenraum und die Fenster des Autoklaven zu reinigen. Das Schmelz- und Erstarrungsverhalten von Urandioxid wurde in Atmosphären mit steigenden Sauerstoffgehalten untersucht. Thermogramme der realen Temperatur zeigten, dass erhöhte Urandioxid-Oxidationsgrade zu einer Abnahme des Schmelzerstarrungspunktes von bis zu 700 Kelvin führten.Die Schmelz-/Gefriertemperatur von Plutoniumdioxid wurde neu bewertet und es wurde festgestellt, dass sie über 300 Kelvin höher ist als zuvor berichtet. Dies wurde darauf zurückgeführt, dass die Fernerhitzungsmethode die Hochtemperaturwechselwirkungen zwischen der Probe und ihrem Behälter vermeidet, die herkömmliche Heizprozesse beeinträchtigen würden. Gemischte Urandioxid-Zirkoniumdioxid-Proben wurden sowohl in Argon als auch in Druckluft untersucht.In der Argonatmosphäre blieben die Schmelz- und Erstarrungstemperaturen der Probe in aufeinanderfolgenden Heiz- und Kühlzyklen ungefähr gleich. In der Druckluft nahmen die Schmelz- und Erstarrungstemperaturen in aufeinanderfolgenden Zyklen ab, was auf eine Oxidation der Probe hindeutet. Die normale spektrale Emissionsgradanalyse von kohlenstoffreichem Urandicarbid zeigte, dass die Oberfläche während des Abkühlens schnell mit entmischtem Kohlenstoff angereichert wurde, der entmischte Kohlenstoff jedoch bei der Alpha-Beta-Phasenübergangstemperatur fast vollständig von der Probenoberfläche weggewandert war.Sobald die optimalen experimentellen Bedingungen für einen bestimmten Materialtyp festgelegt sind, können mehrere thermische Zyklen an verschiedenen Proben durchgeführt werden. Dabei handelt es sich um eine große Menge an experimentellen Datenpunkten, die für die statistische Analyse nützlich sind. Bei diesem Verfahren ist es wichtig, die experimentellen Parameter, wie die Atmosphäre im Inneren des Behälters und die Laserleistung, durch eine Trial-and-Error-Methode für jedes untersuchte Material zu optimieren.Nach diesem Verfahren können auch andere Techniken durchgeführt werden, wie z. B. die Thermografie, um die tatsächliche Temperaturverteilung an den Rändern der Probe zu messen, oder wie die Ultraviolettspektrometrie, um das Verhalten des spektralen Emissionsgrads bei hohen Temperaturen zu bestimmen. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Hochleistungslasern Risiken birgt, die von geschulten Fachkräften bewertet werden müssen. Bei der Durchführung dieses Verfahrens müssen immer Vorsichtsmaßnahmen wie das Tragen einer Schutzbrille und die Verwendung einer geeigneten Laserabschirmung getroffen werden.Es gibt zwar auch andere Ansätze zur Untersuchung von Kerninformationen, aber nur dieser erlaubt die Untersuchung von Materialien, die Plutonium und andere Transurane enthalten. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gewisses Verständnis dafür haben, wie man im Labormaßstab, aber an echtem Kernmaterial, die Bildung von Corium bei einem Kernschmelzunfall eines Kernkerns eines Kerns eines Kerns untersuchen und simulieren kann. Seien Sie sich bewusst, dass die Materialien, die für diese Forschungsarbeit verwendet werden, hochradioaktiv sind.Diese Art von Aktivitäten sollte immer in Übereinstimmung mit den örtlichen Strahlenschutzgesetzen und unter Aufsicht von autorisierten Beamten durchgeführt werden.

laser-heating-radiance-spectrometry-for-study-nuclear-materials

Research

Forschung

JoVE Journal

Chemistry

Chemie

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Abhängigkeit der Laser-induzierten Breakdown Spectroscopy Ergebnisse auf Pulsenergien und Timing-Parameter Mit Boden Simulanten

Zeitaufgelöste Atom-und zweiatomigen Molekülspezies mit LIBS gemessen. Die Spektren werden in verschiedenen Zeitverzögerungen nach der Erzeugung optischer Durchbruch Plasma gesammelt Nd: YAG-Laserstrahlung und analysiert werden, um die Elektronendichte und Temperatur abzuleiten.

Messung und Analyse von atomarem Wasserstoff und Zweiatomige Molekulare AlO, C<sub&gt; 2</sub&gt;, CN, und TiO Spektren nach Laser-induzierten Breakdown Optical

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Laser-Heizung und Ausstrahlung Spektrometrie für die Untersuchung von Kernmaterial in Bedingungen simulieren einen Atomkraftwerksunfall (Video) | JoVE Journal

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