Láser-calefacción y Radiance espectrometría para el estudio de los materiales nucleares en condiciones de simular un accidente de la planta de Energía Nuclear
14 de diciembre de 2017
Presentamos experimentos en que combustible nuclear real, revestimiento, y materiales de contención son láser calentado a temperaturas más allá de 3.000 K, mientras que su comportamiento es estudiado por radiación espectroscopia y análisis térmico. Estos experimentos simulan, a escala de laboratorio, la formación de una fase de lava después de una fusión del núcleo de reactor nuclear.
El objetivo general de este procedimiento es simular las primeras etapas de un accidente de fusión del núcleo en una planta de energía nuclear a escala de laboratorio, lo que permite el estudio del comportamiento de fusión involucrado en la formación de corio. Este enfoque experimental ayuda a responder preguntas clave en la investigación de accidentes en plantas de energía nuclear. Por ejemplo, se pueden determinar las temperaturas que, dependiendo de la atmósfera, pueden llevar a la falla de la estabilidad termomecánica de un núcleo.
La principal ventaja de esta técnica es que se realiza de forma remota, lo que permite el uso de materiales radiactivos reales en el experimento. Aunque este método puede proporcionar información sobre el comportamiento de fusión de los materiales del núcleo del reactor, también se puede aplicar a otras cerámicas refractarias, superaleaciones de alta temperatura y recubrimientos aeroespaciales. Este es un método único para estudiar materiales a temperaturas extremadamente altas durante períodos cortos.
Por lo tanto, es muy útil para establecer estados de referencia de equilibrio termodinámico para el comportamiento material observado. En primer lugar, calibrar el pirómetro rápido de dos canales y el espectropirómetro utilizando lámparas estándar de referencia. Determine las constantes de calibración.
En una guantera blindada con ventanas de calidad óptica, monte la muestra en un soporte con pegamento de circonio de alta temperatura o tornillos de grafito, molibdeno o tungsteno. Coloque la muestra en soporte horizontalmente en un reactor de autoclave de atmósfera controlada con ventanas de calidad óptica. Asegure el autoclave en una placa óptica en la guantera.
Monta una pantalla de grafito absorbente de láser detrás del autoclave. Para garantizar la homogeneidad de la temperatura, seleccione las lentes de la unidad de enfoque para producir un punto láser al menos 10 veces más grande que el punto de mira del pirómetro. Luego, acople la unidad de enfoque a un sistema de fibra óptica láser de alta potencia, teniendo cuidado de no doblar las líneas de fibra óptica.
Encienda el láser piloto rojo de baja potencia y alinee el haz de modo que el punto se centre en la muestra en el autoclave. Luego, encienda el láser de iones de argón. Alinee el láser de modo que el punto azul quede en el centro del punto láser piloto rojo de la muestra.
El pirómetro de dos canales y el espectropirómetro están montados en la mesa óptica en línea con la muestra. Comprobar que los objetivos están correctamente enfocados a la muestra. A continuación, ilumine con una fuente de luz acoplada a la fibra en el ocular del pirómetro de dos canales y compruebe que se proyecta un punto de observación nítidamente definido sobre la superficie de la muestra.
Ajuste el pirómetro para que el punto de observación se centre dentro de los puntos láser rojos y azules. Alinee el espectro-pirómetro utilizando la misma técnica. A continuación, compruebe si hay reflejos de parásitos en el láser piloto rojo de la superficie de la muestra, la guantera y las ventanas del autoclave.
Coloque pantallas de grafito donde se produzcan reflejos de parásitos. A continuación, evacúe el autoclave y vuelva a llenarlo con la atmósfera de reacción cinco veces. A continuación, llene el autoclave con la atmósfera de reacción a la presión deseada.
Espere a que el potencial de oxígeno se estabilice antes de continuar con el experimento. Conecte ambos pirómetros y el potenciómetro láser de alta potencia a un osciloscopio que actúe como convertidor analógico/digital. Conecte el osciloscopio a una computadora.
En el software del osciloscopio, configure los parámetros en los disparadores de adquisición de datos. Rellene las constantes de calibración del pirómetro y del espectropirómetro. En el software láser de alta potencia, cree un nuevo programa de calentamiento.
Si el punto de fusión de la muestra es superior a 2.500 kelvin, inicie el programa con una etapa de precalentamiento a un nivel de potencia adecuado. A continuación, defina ciclos de tres a cuatro disparos láser rápidos para calentar la muestra muy por encima de su temperatura de fusión. La muestra debe permanecer por encima de la temperatura ambiente durante un ciclo.
Cree ciclos adicionales con diferentes intensidad y duración del pulso láser. A continuación, desde una sala de control debidamente blindada, pruebe el programa de calentamiento láser y los disparadores de adquisición de datos disparando sobre un absorbedor de grafito refrigerado por agua. Asegúrese de que el sistema de activación funcione correctamente y de que se adquieran los datos.
Una vez que el sistema esté listo, retire el escudo de grafito cambiando la trayectoria del láser de absorbente a muestra. Desactive el láser piloto rojo y active el láser de alta potencia. Inicie el programa de calentamiento.
Después de la etapa de precalentamiento en el ciclo de calentamiento/enfriamiento, detenga el programa y verifique la apariencia de la muestra. Verifique que los termogramas experimentales indiquen una fusión y solidificación exitosas de la muestra. Si la muestra está intacta, realice varios ciclos más de calentamiento/enfriamiento, revisando la muestra después de cada ciclo.
Continúe este proceso hasta que la muestra se derrita o se rompa. Cuando termine el experimento, apague el láser de alta potencia, ventile el autoclave y deje que se estabilice a presión atmosférica. Transfiera la muestra y los fragmentos de muestra del autoclave a un recipiente blindado para su posterior caracterización.
Use etanol y toallitas de laboratorio para limpiar el interior y las ventanas del autoclave. Se evaluó el comportamiento de fusión y solidificación del dióxido de uranio en atmósferas con contenidos crecientes de oxígeno. Los termogramas de temperatura real mostraron que el aumento de los niveles de oxidación del dióxido de uranio dio lugar a disminuciones del punto de solidificación de la fusión de hasta 700 kelvin.
Se reevaluó la temperatura de fusión/congelación del dióxido de plutonio y se encontró que era más de 300 kelvin más alta de lo informado anteriormente. Esto se atribuyó al método de calentamiento remoto que evita las interacciones a alta temperatura, entre la muestra y su recipiente, que afectarían los procesos de calentamiento convencionales. Se estudiaron muestras mixtas de dióxido de uranio y zirconio tanto en argón como en aire comprimido.
En la atmósfera de argón, las temperaturas de fusión y solidificación de la muestra se mantuvieron aproximadamente iguales en ciclos sucesivos de calentamiento y enfriamiento. En el aire comprimido, las temperaturas de fusión y solidificación disminuyeron a lo largo de ciclos sucesivos, lo que sugiere la oxidación de la muestra. El análisis de emisividad espectral normal del dicarburo de uranio rico en carbono indicó que la superficie se enriqueció rápidamente con carbono desmezclado durante el enfriamiento, pero el carbono desmezclado se había alejado casi por completo de la superficie de la muestra a la temperatura de transición de fase alfa-beta.
Una vez que se establecen las condiciones experimentales óptimas para un determinado tipo de material, se pueden realizar varios ciclos térmicos en diferentes muestras. Se trata de una gran cantidad de puntos de datos experimentales, útiles para el análisis estadístico. Al intentar este procedimiento, es importante optimizar los parámetros experimentales, como la atmósfera dentro del recipiente y la potencia del láser, mediante un método de prueba y error para cada material investigado.
Se pueden realizar otras técnicas siguiendo este procedimiento, como la termografía, para medir la distribución de temperatura real en los bordes de la muestra, o como la espectrometría ultravioleta, para determinar el comportamiento de la emisividad espectral a altas temperaturas. No olvide que trabajar con láseres de alta potencia implica riesgos que deben ser evaluados por profesionales capacitados. Siempre se deben tomar precauciones como el uso de gafas de seguridad y el uso de un blindaje láser adecuado al realizar este procedimiento.
Aunque existen otros enfoques para el estudio de la información básica, sólo éste permite investigar los materiales que contienen plutonio y otros elementos transuránicos. Después de ver este video, debería tener cierta comprensión de cómo se puede estudiar y simular a escala de laboratorio, pero con materiales nucleares reales, la formación de corio en un accidente de fusión del núcleo de una planta de energía nuclear. Tenga en cuenta que los materiales para liderar este trabajo de investigación son altamente radiactivos.
Este tipo de actividades siempre deben llevarse a cabo de conformidad con las leyes locales de radioprotección y bajo la supervisión de funcionarios autorizados.
Descripción general
Este estudio presenta una simulación a escala de laboratorio de las primeras etapas de la fusión del núcleo de un reactor nuclear, centrándose en el comportamiento de fusión de los materiales del reactor. Mediante el uso de técnicas de calentamiento con láser, los experimentos investigan la formación de corion y la estabilidad termomecánica de los materiales del núcleo.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Ingeniería nuclear
- Ciencia de materiales
- Análisis térmico
Antecedentes
- Comprender el comportamiento de la fusión del núcleo es fundamental para la seguridad nuclear.
- Se utilizan materiales nucleares reales para simular condiciones de alta temperatura.
- El estudio tiene como objetivo proporcionar información sobre el comportamiento de los materiales durante condiciones extremas.
- Las técnicas de calentamiento remoto permiten realizar experimentos seguros con materiales radiactivos.
Objetivo del estudio
- Simular el comportamiento de fusión de los materiales de reactores nucleares.
- Determinar los umbrales de temperatura para la falla de estabilidad del núcleo.
- Establecer estados de referencia de equilibrio termodinámico para los comportamientos observados.
Métodos Utilizados
- Calibración de pirómetros para una medición precisa de la temperatura.
- Uso de un autoclave con atmósfera controlada para el calentamiento de muestras.
- Calentamiento con láser remoto para alcanzar temperaturas superiores a 3.000 K.
- Adquisición de datos mediante conexiones a un osciloscopio para monitoreo en tiempo real.
Resultados principales
- El comportamiento de fusión del dióxido de uranio mostró variaciones significativas de temperatura según los niveles de oxidación.
- El punto de fusión del dióxido de plutonio fue reevaluado y resultó ser más alto de lo informado previamente.
- Se observaron efectos de oxidación en muestras mixtas de dióxido de uranio y dióxido de circonio.
- El dicarburo de uranio rico en carbono exhibió un enriquecimiento superficial rápido durante el enfriamiento.
Conclusiones
- El método de calentamiento remoto proporciona información valiosa sobre el comportamiento de los materiales a altas temperaturas.
- Los hallazgos contribuyen a comprender la seguridad de los reactores nucleares y la estabilidad de los materiales.
- Las aplicaciones futuras podrían extenderse a otros materiales de alta temperatura más allá de los contextos nucleares.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Este método permite la caracterización de materiales a alta temperatura bajo condiciones simuladas de accidente severo, apoyando la modelización predictiva del comportamiento del combustible nuclear. Al proporcionar estados termodinámicos de referencia para combustibles reales que contienen actínidos, contribuye a reducir los riesgos en las evaluaciones de seguridad para diseños de reactores de próxima generación. La capacidad de manipulación remota permite el estudio seguro de materiales radiactivos, generando datos fundamentales para la comprensión mecanicista de la formación de corium y de los escenarios de interacción entre combustible y revestimiento.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite investigar la estabilidad termodinámica y los umbrales de transición de fase en materiales de alto punto de fusión.
- Valor operativo: Proporciona pruebas remotas en ambientes controlados de sustancias peligrosas sin contacto directo.
Desarrollo de pruebas y cribado
- Valor científico: Genera datos cuantitativos de puntos de fusión/solidificación en diversas condiciones atmosféricas para análisis comparativo.
- Valor operativo: Apoya protocolos estandarizados y reproducibles de ciclos térmicos para cribado de materiales bajo condiciones extremas.
Investigación Traductiva y Preclínica
- Valor científico: Ofrece conocimientos mecanicistas sobre la depresión del punto de fusión impulsada por la oxidación, relevante para la estabilidad de materiales en ambientes reactivos.
- Valor operativo: Permite la generación de grandes conjuntos de datos a partir de múltiples ciclos térmicos para la validación estadística del comportamiento del material.
Integración de la tubería y flujo de trabajo
Esta técnica se integra en el continuo de descubrimiento al proporcionar datos de propiedades térmicas en etapas tempranas que informan los modelos de seguridad posteriores y la selección de materiales para aplicaciones de alta temperatura.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis sobre la estabilidad de fases y las vías de descomposición de compuestos refractarios bajo calor extremo.
- Selección: Proporciona lecturas cuantitativas y reproducibles de temperatura que permiten comparar el comportamiento de materiales en diferentes atmósferas.
- Análisis: Genera termogramas en tiempo real y datos de emisividad espectral que posibilitan el análisis estadístico del comportamiento durante la fusión.
- Investigación Traducional: Relaciona datos térmicos fundamentales con modelos predictivos del comportamiento de materiales en escenarios de accidente simulados.
- Reutilización Empresarial: Establece una plataforma reutilizable para la caracterización a alta temperatura de materiales que contienen actínidos y materiales refractarios a lo largo de múltiples ciclos de investigación.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Confianza predictiva en el comportamiento de los materiales mediante la medición directa de los puntos de fusión y los efectos de oxidación en condiciones controladas.
- Valor operativo: Operación estandarizada y remota con monitoreo en tiempo real garantiza la reproducibilidad y la seguridad al manipular sustancias peligrosas.
- Valor estratégico: Informa decisiones ajustadas al riesgo sobre la idoneidad de los materiales de revestimiento de combustible y contención al revelar los umbrales de falla.
- Impacto en la cartera: Permite la priorización basada en datos de formulaciones de combustible según su estabilidad térmica y resistencia a la degradación en ambientes oxidantes.
Consideraciones de Implementación
- Se requiere experiencia en seguridad láser, manipulación de radiación y pirometría de alta temperatura.
- La instrumentación incluye láseres de alta potencia, pirómetros de doble canal, espectropirómetros y autoclaves con atmósfera controlada que disponen de acceso óptico.
- La estandarización entre equipos depende de la calibración consistente de los sensores ópticos y de los controles ambientales (por ejemplo, potencial de oxígeno, presión).
- La adaptación a otros sistemas de materiales requiere la optimización de la potencia del láser, la duración del pulso y las condiciones atmosféricas según el punto de fusión y la reactividad.
- Las limitaciones prácticas incluyen la necesidad de blindaje contra la radiación, el tamaño restringido de las muestras debido a las limitaciones del autoclave y la posible contaminación superficial por interacciones con el crisol si no se mitigan adecuadamente.
