Name: Láser-calefacción y Radiance espectrometría para el estudio de los materiales nucleares en condiciones de simular un accidente de la planta de Energía Nuclear (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-12-14T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 18 s
Description: Aprende a simular el comportamiento de fusión de materiales nucleares mediante calentamiento láser remoto en autoclave controlada. Este método permite estudiar la formación de corium y evaluar la estabilidad termomecánica del núcleo en condiciones extremas.

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Los autores están en deuda con la Comisión Europea para la financiación de la presente investigación en sus programas de investigación institucionales. Además, parte de la investigación presentada fue financiado a través de la EC 6th marco programa bajo el proyecto del F-puente y 7 proyectos deth FP bajo la segura y suave.

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</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

La técnica de espectroscopia de radiación láser-calefacción presentada aquí es reconocida como un innovador y efectivo método para la investigación del comportamiento de muy alta temperatura y fusión de materiales refractarios15, 16. Gracias a su carácter remoto y casi menos de contenedor es especialmente apropiado para el estudio experimental de materiales nucleares radiactivos y la simulación de accidentes de fusión de núcleo en las centrales nucleares, como lo demuestran los resultados del ejemplo presentados aquí.
Mientras que evaluar datos experimentales obtienen con el método actual, uno sin duda debe tener cuidado con la correcta asignación de los puntos experimentales a las transiciones de fase. De hecho, a muy altas temperaturas, cinética de materiales puede ser extremadamente rápido, y pueden ocurrir varios fenómenos de difícil control, tales como la vaporización no congruente, segregación, disociación compuesta, etcetera. Como lo demuestra la comparación con los métodos tradicionales de calefacción (como hornos de inducción), la posible ocurrencia de tales fenómenos justifica el uso de un rápido calentamiento y enfriamiento técnica como la actual. Por otra parte, pueden surgir dudas sobre la efectiva estabilización de las condiciones de equilibrio termodinámico en las condiciones actuales de la calefacción. Como se explica en la sección de procedimiento, tales condiciones no pueden ser garantizadas durante la parte de láser-calentamiento rápida de los ciclos térmicos. Sin embargo, las condiciones de equilibrio termodinámico sin duda se producen en la etapa de enfriamiento. Esta declaración fue validada con la ayuda de códigos de computadora que simula los experimentos actuales y basada en cerca de equilibrio masa y difusión del calor en presencia de las transiciones de fase local11. Sin embargo, equilibrio termodinámico condiciones siempre deben ser Cruz-verificar experimentalmente, típicamente midiendo bien evaluados fase las temperaturas de transición en los compuestos que se pueden tomar como referencias. Esto fue observada en el presente trabajo con los puntos de fusión/solidificación de W, Mo (recomendado como temperaturas de referencia secundario en la escala internacional de temperatura de 199017,18,19), UO2, y el eutéctico de ZrC-C9. Tales puntos de referencia de medición también es necesario para evaluar la exactitud y la incertidumbre del presente enfoque.
Dadas las condiciones extremas y fenómenos que se producen en los experimentos del laser-calefacción, un análisis preciso de la incertidumbre es fundamental para la utilidad de los datos producidos. Para campañas de medición de éxito, la incertidumbre acumulada que afectan a los datos de temperatura de transición de fase actual asciende a ±1% de la temperatura absoluta, con un factor de cobertura de 2 desviación de estándar (95% de confianza). Estas bandas de incertidumbre pueden ser mayores para materiales complejos, donde, por ejemplo, la vaporización no congruentes puede cambiar la composición de la muestra real de manera incontrolable durante los experimentos. Esa incertidumbre debe tener en cuenta los errores debido al procedimiento de calibración, la determinación de la NSE, la estabilidad de la muestra (es decir, la repetibilidad, en disparos de láser sucesivas, de las temperaturas de transición de fase experimental), etcetera. Un ejemplo de análisis de incertidumbre para el punto de fusión/congelación de PuO2 es reportado en la tabla 1. Las diversas contribuciones de incertidumbre pueden considerarse como independiente y combinada según la ley de propagación de error3.
<img alt="Table 1" src="/files/ftp_upload/54807/54807table1.jpg"> 
Tabla 1: Ejemplo de análisis de incertidumbre para el punto de fusión/congelación de PuO2 (referencia13). El significado y el valor de c2 es reportado en la sección de introducción con los comentarios en ecuación 1. Δελ está parado aquí para dos desviaciones estándar alrededor de la media valor experimental obtenido para ελ encajando espectros de radiación experimental dentro de la suposición de cuerpo gris. C δT y δTd representan dos desviaciones estándar alrededor de la curva de la temperatura extrapolada de media de la lámpara estándar y el valor de la temperatura de solidificación experimental promedio, respectivamente.
Pueden hacer algunas mejoras en el actual enfoque experimental. En particular, conectar el recipiente del reactor con un espectrómetro de masas a través de un sistema de tuberías complejos permitirán la detección, al menos cualitativamente, de las especies presentes en la pluma de vapor liberada por el material caliente. Por otra parte, la implementación de una cámara de termo está prevista para el estudio bidimensional de la distribución de temperaturas sobre la superficie de la muestra caliente con el fin de detectar posibles heterogeneidades y efectos de la segregación. Por último, se prevén mejoras en el sistema de seguridad en torno a los equipos actuales. En realidad, la actual caja de guante de plexiglás usada aquí es ideal para el estudio de materiales altamente radiactivos, como uranio y elementos transuránicos, gracias al hecho que efectivamente bloquea la radiación α. Sin embargo, este escudo no es suficientemente segura para la investigación de emisores γ fuerte, como los nucleidos contenidos en el combustible nuclear irradiado real. Nuevas instalaciones incluyendo una celda de paredes de plomo está prevista para el estudio del combustible nuclear gastado procedente de centrales nucleares reales.

Aunque la fisión nuclear se presenta ampliamente como una fuente prometedora de energía a gran escala y prácticamente inagotable, su aceptación pública completa todavía está estancado por cierta seguridad y riesgos de salvaguardia. El enfoque experimental presentado en este trabajo tiene como objetivo responder algunas preguntas de ciencia de los materiales fundamentales relativos a uno de estos riesgos, la ocurrencia de accidentes severos (SAs) conduce a la fusión de núcleo en una central nuclear (CN). Esto puede resultar en una posible liberación de material altamente radiactivo en el ambiente, con graves consecuencias, tanto para la salud de las personas y la economía del país. SAs principales de este tipo han ocurrido tres veces en las centrales nucleares, en Three Mile Island (Estados Unidos, 1979), Chernobyl (URSS, 1986) y Fukushima (Japón, 2011). Por lo tanto, CN SAs son el foco de la investigación considerable en unas instalaciones en todo el mundo, que abarca muchos fenómenos difíciles y complicados por temperaturas muy altas (a menudo superior a 3.000 K) y la presencia de materiales radiactivos.
En este escenario, una reciente Directiva por el Consejo Europeo1 requiere de países de la UE a dar prioridad a la seguridad nuclear en todas las etapas del ciclo de vida de una planta de energía nuclear. Esto incluye llevar a cabo evaluaciones de seguridad antes de la construcción de nuevas centrales nucleares y también garantizar mejoras de seguridad significativas para viejos reactores.
En este contexto, se ha implementado una radiante atmósfera controlada, laser-calefacción y rápido spectro-pirometría instalación2,3,4 de la Comisión Europea Instituto de centro común de investigación para Elementos Transuránicos de la simulación de laboratorio, a pequeña escala, de colapso del núcleo de CN. Debido al tamaño de muestra limitado (normalmente en un cm y 0,1 g-escala) y la eficacia alta y la naturaleza remota de calefacción de láser, este enfoque permite rápido y eficaces medidas de alta temperatura en materiales nucleares reales, incluyendo plutonio y menor actínidos-que contienen muestras de combustible de fisión. En este sentido y en su capacidad para producir una gran cantidad de datos relativos a los materiales bajo condiciones extremas, el método experimental actual es reconocido mundialmente como ser único. De hecho, han visto otras técnicas complementarias de investigación basados en calentamiento por inducción para sufrir de las interacciones de alta temperatura rápidas de la muestra material y contención5. Además, si tales técnicas permiten y sobre todo necesitan grandes cantidades de material para el análisis, son menos adecuados que el método actual para la investigación de los materiales nucleares reales, debido a la alta radioactividad y limitada disponibilidad de las muestras.
En los experimentos actuales (esquematizados en la figura 1), una muestra, montada en un autoclave de atmósfera controlada, contenida en una caja de guante blindado de α, es calentada por un láser de Nd: YAG CW de 4,5 kW.
<img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig1.jpg"> 
Figura 1: Láser-calefacción y resplandor montaje experimental spectro-pirometría. La muestra se fija con tornillos de grafito (o tungsteno o molibdeno) en un recipiente hermético de gas en una atmósfera controlada. La imagen en la esquina inferior izquierda muestra, por ejemplo, un disco de2 PuO fijado con tornillos de grafito. Si la muestra es radiactiva, el buque debe montarse en una caja de guante apretado alfa. La muestra es calentada con un láser de Nd: YAG de 4,5 kW a 1.064 nm. Un pirómetro rápido dos vías se utiliza para registrar la temperatura de la muestra y la señal reflejada de un láser de baja potencia Ar+ . Un más lento multicanal spectro-pyromenter se emplea para el análisis en situ de propiedades ópticas de la muestra caliente. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig1large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
Pirómetros de radiación miden la muestra resplandor Lex. Esta es la densidad de energía de radiación electromagnética por unidad superficie, longitud de onda y ángulo sólido emitida por la muestra a una temperatura dada6. Está ligado a la temperatura superficial de la muestra T mediante una función modificada de Planck:

<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/54807/54807equation1.jpg">
donde Lλ la potencia radiativa, ελ es la emisividad espectral, c1 = 2· h· c0 2 es la primera constante de radiación c2 = h· c0/kB = 14.388 µm· K es la segunda constante de radiación, c0 es la velocidad de la luz en el vacío, h es constante de Planck y la constante de Boltzmann kB . La emisividad espectral toma en cuenta el hecho de que un cuerpo real se irradia, a una determinada longitud de onda y temperatura, sólo una fracción igual de la energía emitida por un cuerpo negro ideal a la misma temperatura. Por lo tanto, toma valores entre 0 y 1, con 1 correspondiente al caso del cuerpo negro ideal para la ley de Planck, que fue derivado. Pirómetros en el presente trabajo se establecieron siempre casi normal con respecto a la superficie de la muestra, no se consideró la dependencia del ángulo de ελ y "emisividad" siempre se referirá a la emisividad espectral normal (NSE). La bolsa debe ser determinada para convertir, a través de la ecuación 1 y un procedimiento de calibración de Pirómetro, Lex en temperatura absoluta T.
La temperatura de la muestra se detecta mediante un rápido Pirómetro calibrado contra farolas hasta 2500 K a λ = 655 nm y. Un adicional de 256 canales de luminosidad spectro-Pirómetro entre 515 nm y a 980 nm fue empleada para el estudio de lo NSE (ελ) de la muestra. Determinación del NSE es posible completar un ajuste no lineal del espectro de emisión térmico con ecuación 12, 3, T y ελ siendo los dos parámetros libres. Este enfoque ha demostrado ser aceptablemente preciso en materiales refractarios7 como los que suelen estar presentes en un PNP, para que el NSE puede ser asumido para ser independiente de la longitud de onda (hipótesis de cuerpo gris) sobre una amplia gama espectral. Una vez que la temperatura de la muestra de láser calienta correctamente se mide como función del tiempo, análisis térmico se pueden realizar en la curva resultante de tiempo y temperatura (termografía).Inflexiones o térmicas detenciones en los termogramas darán información relacionada con las transiciones de fase (solidus, liquidus y transformaciones de fase isotérmica). Por otra parte, además de ser necesario para la determinación de NSE, directo análisis espectral de la radiancia Lex emitida por la muestra caliente también permite un estudio en situ de algunas propiedades ópticas de la superficie estudiada. Esto constituye otra herramienta de apoyo para la identificación de fenómenos de alta temperatura, tales como transiciones de fase, reacciones químicas entre materiales condensados y la fase gas, efectos de segregación. Una técnica adicional denominada refleja de2, de análisis de señal luminosa (RLS) 3 se utiliza para confirmar las transiciones de fase. Se lleva a cabo mediante el uso del segundo canal del pirómetro amo una baja potencia (1 W) láser de Ar+ (λ = 488 nm). Este canal detecta el rayo láser que se origina en la cavidad Ar+ y reflejada por la superficie de la muestra. Una señal constante de RLS indica una superficie sólida, mientras que las oscilaciones al azar aparecen después de la fusión debido a las vibraciones inducidas por la tensión superficial en la superficie de la muestra líquida.
En general, reactores refrigerados por agua utilizando combustibles sólidos elementos, actualmente el tipo más común de NPP, poseen cuatro barreras sucesivas para asegurar la contención de la radiactividad8. La primera barrera es que la pastilla de combustible, gracias a su estructura cristalina y porosidad micro-macroscópicas, puede contener los productos de fisión sólidos y parte de los volátiles. En general, el elemento combustible todo se coloca en un revestimiento metálico (acero o zircalo) que funciona como la segunda etapa de protección. En caso de fallo del revestimiento, la tercera barrera es todo recipiente interno CN, en general limitado por un muro de acero que es unos pocos cm de espesor (sistema primario). Por último, la contención (m de espesor de hormigón) del edificio es la última barrera de seguridad antes de la liberación en el medio ambiente.
En caso de que el sistema de enfriamiento de agua, una SA CN puede ocurrir, conduciendo a un sobrecalentamiento y colapso de la base. Sobrecalentamiento es inicialmente debido al calor de la fisión. Sin embargo, en ausencia de refrigeración, recalentamiento puede también continuar mucho tiempo después de la terminación de reacciones en cadena nuclear, debido al calor residual de decaimiento de los productos de la fisión y otras especies altamente radiactivos contenidos en los desechos de centrales nucleares. En general, derretimiento del núcleo se iniciará desde la parte central del elemento combustible, a menos que compuestos de bajo punto de fusión (posiblemente eutectics) se forman en la interfase entre el combustible y el revestimiento. El primer objetivo de la presente investigación consiste en establecer si tales compuestos de bajo punto de fusión pueden ser formados en sistemas de revestimiento de combustible real y, en este caso, lo que la depresión de la temperatura de fusión resultante sería. Para responder a esta pregunta, el comportamiento de fusión de compuestos puros y mezclados de combustible debe primero profundamente evaluarse, que constituye una meta aún más importante de la estrategia actual. Si el combustible y el revestimiento se funden, la masa líquida rápidamente caer al fondo de la vasija primaria y empezar a reaccionar con la pared de acero y con el agua restante y el vapor, si cualquier. En esta etapa, acero también puede ser derretido junto con el revestimiento de combustible caliente mezcla. El líquido resultante de la lava-como se llama la "dermis". Esta mezcla caliente, altamente radiactivo puede difundir fuera de la contención primaria si la pared acero derretido a través y terminan reaccionando incluso con el hormigón que constituye la barrera más externa. El calor elevado y la alta reactividad de las especies presentes en la dermis pueden conducir a la disociación del agua y la producción de hidrógeno. Esto podría producir un riesgo adicional de explosión de vapor y el hidrógeno (CF. el SAs en Three Mile Island y Fukushima), oxidación fuerte, o (menos probable) hidratación de la dermis masa y los materiales estructurales de CN. El método experimental actual permite la separación y análisis experimental de varios de los muchos complejos mecanismos fisicoquímicos relacionados con la secuencia descrita de eventos. Además el mencionado componente puro fusión análisis y revestimiento de combustible interacción, varios alta temperatura interacción mecanismos pueden investigarse en sistemas simplificados, como Pu-que contienen el combustible y el acero, entre combustible y hormigón, etcetera. Formación de dermis puede estudiarse potencialmente en presencia de diferentes ambientes (gas inerte, rastros de hidrógeno o de vapor y aire), produciendo datos de referencia importante para una comprensión integral de SAs.
El enfoque actual, es especialmente adecuado para la investigación de laboratorio de materiales de elevado punto de fusión, también se ha empleado para el análisis de éxito de otros, más innovadores tipos de combustibles nucleares (basados, por ejemplo, uranio carburos o nitruros) y otros compuestos refractarios, tales como carburos de9, tantalio y hafnio de circonio, óxido de calcio10, superaleaciones metálicas, etcetera.

<table><tbody><tr><td>Pirómetro rápido de dos canales</td><td>Ensamblado de forma privada</td><td></td><td>Pirómetro rápido. Detectores de fotodiodos a 650 nm y 488 nm, ensamblados con objetivo de enfoque y amplificador logarítmico rápido.</td></tr><tr><td>Láser TRUMPF HLD4506, TRUMPF,&nbsp;</td><td>TRUMPF Schramberg, Alemania</td><td>HLD4506</td><td></td></tr><tr><td>Espectrómetro CDI</td><td>Tarjeta de espectrógrafo óptico CDI, 256 canales</td><td>Conjunto de espectro-pirómetros de longitud de onda múltiple</td><td></td></tr><tr><td>Láser Ar+</td><td>Tecnología láser iónica</td><td>5500A-00</td><td>0,75 W Osciloscopio láser RLS</td></tr><tr><td>NICOLET</td><td>NICOLET, Madison, Wisconsin, Estados Unidos</td><td>Pro 44C Digitalizador de transitorios</td><td>Convertidor AD, sistema</td></tr> <tr><td>de adquisición de datosSETNAG Analizador de oxígeno</td><td>SETNAG, Marsella, Francia</td> Célula electroquímica <td>JC24V-M</td><td>ZrO2 para el análisis de oxígeno en el autoclave</td></tr><tr><td>Fuente de cuerpo negro</td><td>POLYTECH CI Waldbronn, Alemania</td><td>Fuente de</td><td>cuerpo negro personalizada para la calibración de espectropirómetros</td></tr><tr><td>Lámparas de calibración estándar</td><td>POLARON, Watford, Reino Unido</td><td>Lámparas P.224c y P213c</td><td>para calibración de pirómetros y espectropirómetros</td></tr></tbody></table>

láser-calefacción y radiance espectrometría para el estudio de los materiales nucleares en condiciones de simular un accidente de la planta de energía nuclear

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

Grandes y graves accidentes han ocurrido tres veces en plantas de energía nuclear (centrales nucleares), en Three Mile Island (Estados Unidos, 1979), Chernobyl (URSS, 1986) y Fukushima (Japón, 2011). Investigación sobre las causas, dinámica y consecuencias de estos accidentes se ha realizado en unos pocos laboratorios a nivel mundial en las últimas tres décadas. Objetivos comunes de tales actividades de investigación son: la prevención de este tipo de accidentes, tanto en plantas de energía nuclear nueva existentes y potenciales; la minimización de sus consecuencias posibles; y en última instancia, una comprensión completa de los riesgos reales relacionados con las centrales nucleares. En Instituto el europeo la Comisión conjunta del centro de investigación de elementos transuránicos, una instalación de spectro pirometría radiance laser-calefacción y rápido se utiliza para la simulación de laboratorio, a pequeña escala, de fusión de base de CN, el tipo más común de graves accidente (SA) que puede ocurrir en un reactor nuclear como consecuencia de un fallo de la refrigeración. Esta herramienta de simulación permite mediciones de alta temperatura rápidas y eficaces en materiales nucleares reales, tales como plutonio y muestras de combustible de fisión que contenga actínidos menores. En este sentido y en su capacidad de producir gran cantidad de datos relativos a los materiales bajo condiciones extremas, el actual enfoque experimental es ciertamente único. Conceptos actuales y futuros de la CN, se presentan los resultados de ejemplo en el comportamiento de fusión de algunos tipos de combustibles nucleares: uranio plutonio óxidos, carburos y nitruros. También brevemente se muestran resultados en la interacción de la alta temperatura de combustibles de óxido con materiales de contención.

Figura 3 muestra los termogramas de temperatura real medidas en dióxido de uranio con diferentes niveles de oxidación (UO2 + x 0 &lt; x &lt; 0.21)2. Dióxido de uranio es el componente esencial del combustible más común en las actuales centrales nucleares. Su oxidación a varios niveles de hiper-estequiometría de oxígeno puede ocurrir en condiciones de reactor normal y fuera de lo normal12. Con el método actual, fue demostrado que la oxidación de2 UO puede resultar en una disminución dramática de su punto de fusión/solidificación por hasta 700 K. En este caso, experimentos debían llevarse a cabo bajo una presión bastante alta de gas inerte (He a 10 MPa) para suprimir la vaporización altamente congruente en las temperaturas altas.
<img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig3.jpg"> 
Figura 3: Termogramas medición en muestras de dióxido de uranio de estequiométricas y hyperstoichiometric láser calienta (después 2). Un perfil de doble pulso láser de ejemplo se muestra en el gráfico. Termogramas se registran de varias composiciones de UO2 + x . Detenciones de solidificación ocurren temperaturas significativamente diferentes y con diferentes características, dependiendo de la composición de la muestra, revela la evolución de la dinámica de la temperatura y la solidificación de fusión/congelación en el sistema U-O. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig3large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
La figura 4 muestra el pirómetro (línea recta) y termogramas spectro-Pirómetro en un laser de muestra de dióxido de plutonio calentado bajo una atmósfera oxidante (aire comprimido a 0,3 MPa). También, PuO2 es un componente esencial de combustible nuclear. En la misma figura, también se muestran dos espectros de radiación medidos por spectro-Pirómetro a diferentes temperaturas en los bajorrelieves, con curvas de ajuste de datos experimentales y los valores de T y ελ correspondientes. Gracias a este estudio, el PuO2 temperatura de fusión/congelación fue reevaluada para K 3.017 ± de 28 K, superior a más de 300 K indicado previamente por los métodos tradicionales de calefacción. Estos métodos produjeron resultados ciertamente afectados por extensas interacciones de alta temperatura entre la muestra y la contención, un tema que se ha resuelto en gran parte con el actual enfoque de calefacción remota.
<img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig4.jpg"> 
Figura 4: Termogramas miden en un laser de muestra de dióxido de plutonio calentado más allá del punto de fusión. Gráfica principal: la línea continua negra y los círculos completos negros representan los termogramas registrados en una muestra de2 PuO bajo una atmósfera oxidante por el pirómetro rápido y el spectro-pirómetro de multi-longitud de onda, respectivamente. Los círculos blancos representan los valores de emitancia espectral obtenidos por ajuste de datos experimentales radiance con resplandor ley12 de Planck. Los dos Bajorrelieves muestran espectros ejemplo registrados (círculos negros) y equipados (rayas rojas) en líquido y congelación PuO2, respectivamente, en la asunción de cuerpo gris. En estas parcelas, la radiancia Lλ se normaliza a la primera radiación constante c1 por simplicidad. El termograma principal fue obtenido usando un emittance constante promedio de 0.83. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig4large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
La figura 5 muestra una serie de pulsos de láser-calefacción realizada en una mezcla de UO2 y ZrO2 bajo diferentes ambientes. Esta prueba es representativo de las condiciones que se pueden producir en caso de una excursión de temperatura accidental en un CN. El punto de fusión/solidificación ocurre a una temperatura bien se repiten en sucesivos disparos si los experimentos se llevan a cabo en argón. Por otro lado, la temperatura de fusión/solidificación disminución sobre los disparos de láser si se realizan ciclos de láser-calefacción en aire comprimido. Esto muestra que, en este último caso, la muestra obtiene cada vez más oxidada durante los tratamientos láser-calefacción. También, en el caso mixto UO2- ZrO2 óxidos, una depresión de punto de fusión se produce en condiciones de hiper-estequiometría de oxígeno.
<img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig5.jpg"> 
Figura 5: Termogramas miden mixto UO2- ZrO2 muestras en argón a presión y aire. El punto de fusión/solidificación ocurre a una temperatura bien se repiten en sucesivos disparos si los experimentos se llevan a cabo en argón (termogramas negro). Por otro lado, la temperatura de fusión/solidificación disminución sobre los disparos de láser si láser-calefacción ciclos se realizan en el aire comprimido (termogramas verdes). <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig5large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
Otro ejemplo refiere a otro tipo de material, dicarbide de uranio. Esto se prevé como posible material para un concepto alternativo de combustible nuclear, potencialmente trabajar en temperaturas más altas y reducir considerablemente el riesgo de un accidente de fusión. Una nueva composición que contiene un exceso de carbono (nominalmente UC2.8) fue investigada por primera vez con el enfoque actual14. En este caso, la temperatura eutéctica - C UC2, establecida en 27,37 K ± 20 K, fue utilizada como una referencia de resplandor junto con la transición de estado sólido cúbico tetragonal (α→β), fijada en K 2.050 ± 20 K. El NSE del compuesto rico en carbono se midió para aumentar hasta 0,7 a 650 nm, mientras que el valor ελ = 0.53 se estableció para dicarbide de uranio puro en el límite de la región de eutéctico. Este aumento fue analizado a la luz de la demixing de exceso de carbón y utilizado para la determinación de la temperatura de liquidus (3.220 ± 50 K para UC2.8). Debido a la difusión rápida de estado sólido, también fomentada por la transición cúbicos tetragonal, no hay signos evidentes de una estructura eutéctica laminar se pudieran observar después de Temple a temperatura ambiente. La composición eutéctica superficie de C/UC2 x podría ser cualitativamente, pero consistentemente, seguida durante el proceso de enfriamiento con la ayuda de los espectros de resplandor grabado, como se muestra en las figuras 6 a y b.Curiosamente, el actual análisis de NSE mostró que, mientras que en la fase líquida la superficie exterior del líquido se constituyó casi en su totalidad de uranio dicarbide, rápidamente consiguió enriquecido en carbono demixed en congelación. Demixed de carbono parecen migrar rápidamente hacia el interior a granel durante el enfriamiento más. En la transición α→β, uranio dicarbide otra vez cubre casi toda la superficie externa. Todos estos detalles sobre el comportamiento de materiales de muy alta temperatura son esenciales para el análisis de este tipo de compuesto en caso de aumento incontrolado de la temperatura en el núcleo del reactor. Se dedujeron sólo sobre la base de análisis de espectroscopia de resplandor, mientras que serían difícilmente accesibles a cualquier otra técnica de investigación experimental.
<img alt="Figure 6" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig6.jpg"> 
Figura 6: Espectros de termografía y radiance medición en una muestra de2.8 de UC en argón a presión14. a) la etapa de enfriamiento de un termograma registrados en una muestra de2.8 de UC. Círculos completos identifican los puntos de tiempo en que se registraron los espectros de radiación por spectro-Pirómetro. b) cuatro ejemplos de espectros de radiación registran a diferentes temperaturas. Uno de ellos se registró en líquido UC2.8, mientras que los otros tres corresponden a las detenciones termal visibles en la figura 5a. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig6large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

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.

Láser-calefacción y Radiance espectrometría para el estudio de los materiales nucleares en condiciones de simular un accidente de la planta de Energía Nuclear

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

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.

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Investigación

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Chemistry

Química

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Láser-calefacción y Radiance espectrometría para el estudio de los materiales nucleares en condiciones de simular un accidente de la planta de Energía Nuclear (Video) | JoVE Journal

Láser-calefacción y Radiance espectrometría para el estudio de los materiales nucleares en condiciones de simular un accidente de la planta de Energía Nuclear

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