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

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.