Laser-chauffage et spectrométrie de la Radiance pour l’étude des matières nucléaires dans des Conditions simulant un Accident de la centrale nucléaire

L’objectif général de cette procédure est de simuler les premiers stades d’un accident de fusion du cœur d’une centrale nucléaire à l’échelle du laboratoire, permettant ainsi d’étudier le comportement de fusion impliqué dans la formation du corium. Cette approche expérimentale permet de répondre à des questions clés dans la recherche sur les accidents de centrales nucléaires. Par exemple, on peut déterminer les températures qui, en fonction de l’atmosphère, peuvent entraîner une défaillance de la stabilité thermomécanique d’un noyau.

Le principal avantage de cette technique est qu’elle est réalisée à distance, ce qui permet d’utiliser de véritables matières radioactives dans l’expérience. Bien que cette méthode puisse donner un aperçu du comportement à la fusion des matériaux du cœur du réacteur, elle peut également être appliquée à d’autres céramiques réfractaires, aux superalliages à haute température et aux revêtements aérospatiaux. Il s’agit d’une méthode unique pour étudier des matériaux à des températures extrêmement élevées pendant de courtes périodes.

Il est donc très utile pour établir des états de référence d’équilibre thermodynamique pour le comportement observé du matériau. Tout d’abord, calibrez le pyromètre rapide à deux canaux et le spectropyromètre à l’aide de lampes étalons de référence. Déterminez les constantes d’étalonnage.

Dans une boîte à gants blindée avec des fenêtres de qualité optique, montez l’échantillon dans un support avec de la colle zircone haute température ou des vis en graphite, en molybdène ou en tungstène. Placez l’échantillon dans le récipient horizontalement dans un réacteur autoclave à atmosphère contrôlée avec des fenêtres de qualité optique. Fixez l’autoclave sur une carte optique dans la boîte à gants.

Montez un écran en graphite absorbant le laser derrière l’autoclave. Pour assurer l’homogénéité de la température, sélectionnez les lentilles de l’unité de mise au point pour produire un point laser au moins 10 fois plus grand que le point de visée du pyromètre. Ensuite, couplez l’unité de mise au point à un système de fibre optique laser haute puissance, en faisant attention de ne pas plier les lignes de fibre optique.

Allumez le laser pilote rouge de faible puissance et alignez le faisceau de manière à ce que le point soit centré sur l’échantillon dans l’autoclave. Ensuite, allumez le laser à ions argon. Alignez le laser de manière à ce que le point bleu soit au centre du point laser pilote rouge sur l’échantillon.

Le pyromètre à deux canaux et le spectropyromètre sont montés sur la table optique dans l’alignement de l’échantillon. Vérifiez que les objectifs sont correctement focalisés sur l’échantillon. Ensuite, dirigez une source lumineuse couplée à une fibre dans l’oculaire du pyromètre à deux canaux et vérifiez qu’un point de visée bien défini est projeté sur la surface de l’échantillon.

Ajustez le pyromètre de manière à ce que le point de visée soit centré dans les points laser rouges et bleus. Alignez le spectro-pyromètre en utilisant la même technique. Ensuite, vérifiez les reflets parasites du laser pilote rouge sur la surface de l’échantillon, la boîte à gants et les fenêtres de l’autoclave.

Placez des écrans en graphite partout où des reflets parasites se produisent. Ensuite, évacuez l’autoclave et remplissez-le cinq fois avec l’atmosphère réactionnelle. Ensuite, remplissez l’autoclave avec l’atmosphère réactionnelle à la pression souhaitée.

Attendez que le potentiel d’oxygène se stabilise avant de poursuivre l’expérience. Connectez les pyromètres et le potentiomètre laser haute puissance à un oscilloscope agissant comme un convertisseur analogique/numérique. Connectez l’oscilloscope à un ordinateur.

Dans le logiciel de l’oscilloscope, définissez les paramètres dans les déclencheurs d’acquisition de données. Remplissez les constantes d’étalonnage du pyromètre et du spectropyromètre. Dans le logiciel laser haute puissance, créez un nouveau programme de chauffage.

Si le point de fusion de l’échantillon est supérieur à 2 500 kelvins, commencez le programme par une étape de préchauffage à un niveau de puissance approprié. Ensuite, définissez des cycles de trois à quatre tirs laser rapides pour chauffer l’échantillon bien au-dessus de sa température de fusion. L’échantillon doit rester au-dessus de la température ambiante pendant un cycle.

Créez des cycles supplémentaires avec une intensité et une durée d’impulsion laser variables. Ensuite, à partir d’une salle de contrôle correctement blindée, testez le programme de chauffage du laser et les déclencheurs d’acquisition de données en tirant sur un absorbeur de graphite refroidi à l’eau. Assurez-vous que le système de déclenchement fonctionne correctement et que les données sont acquises.

Une fois que le système est prêt, retirez le bouclier en graphite en changeant le chemin du laser de l’absorbeur à l’échantillon. Désactivez le laser pilote rouge et activez le laser haute puissance. Démarrez le programme de chauffage.

Après l’étape de préchauffage dans le cycle de chauffage/refroidissement, mettez le programme en pause et vérifiez l’apparence de l’échantillon. Vérifiez que les thermogrammes expérimentaux indiquent une fusion et une solidification réussies de l’échantillon. Si l’échantillon est intact, effectuez plusieurs autres cycles de chauffage/refroidissement, en vérifiant l’échantillon après chaque cycle.

Continuez ce processus jusqu’à ce que l’échantillon soit fondu ou cassé. Une fois l’expérience terminée, éteignez le laser haute puissance, ventilez l’autoclave et laissez-le se stabiliser à la pression atmosphérique. Transférez l’échantillon et les fragments d’échantillon de l’autoclave dans un récipient blindé pour une caractérisation ultérieure.

Utilisez de l’éthanol et des lingettes de laboratoire pour nettoyer l’intérieur et les fenêtres de l’autoclave. Le comportement de fusion et de solidification du dioxyde d’uranium a été évalué dans des atmosphères où la teneur en oxygène augmente. Les thermogrammes de température réelle ont montré que l’augmentation des niveaux d’oxydation du dioxyde d’uranium entraînait une diminution du point de solidification à la fusion allant jusqu’à 700 kelvins.

La température de fusion/congélation du dioxyde de plutonium a été réévaluée et s’est avérée supérieure de plus de 300 kelvins à celle signalée précédemment. Cela a été attribué à la méthode de chauffage à distance évitant les interactions à haute température, entre l’échantillon et son récipient, qui affecteraient les processus de chauffage conventionnels. Des échantillons mixtes de dioxyde d’uranium et de dioxyde de zirconium ont été étudiés à la fois dans de l’argon et de l’air comprimé.

Dans l’atmosphère d’argon, les températures de fusion et de solidification de l’échantillon sont restées à peu près les mêmes au cours des cycles de chauffage et de refroidissement successifs. Dans l’air comprimé, les températures de fusion et de solidification ont diminué au fil des cycles successifs, suggérant une oxydation de l’échantillon. L’analyse de l’émissivité spectrale normale du dicarbure d’uranium riche en carbone a indiqué que la surface était rapidement enrichie par le carbone démélangé pendant le refroidissement, mais que le carbone démélangé avait presque complètement migré loin de la surface de l’échantillon à la température de transition de phase alpha-bêta.

Une fois que les conditions expérimentales optimales sont établies pour un type de matériau donné, plusieurs cycles thermiques peuvent être effectués sur différents échantillons. Il s’agit d’une grande quantité de points de données expérimentales, utiles pour l’analyse statistique. Lors de cette procédure, il est important d’optimiser les paramètres expérimentaux, tels que l’atmosphère à l’intérieur du récipient et la puissance du laser, par une méthode d’essai et d’erreur pour chaque matériau étudié.

D’autres techniques peuvent être réalisées à la suite de cette procédure, comme la thermographie, pour mesurer la distribution réelle de la température sur les bords de l’échantillon, ou comme la spectrométrie ultraviolette, pour déterminer le comportement de l’émissivité spectrale à haute température. N’oubliez pas que travailler avec des lasers de haute puissance comporte des risques qui doivent être évalués par des professionnels formés. Des précautions telles que le port de lunettes de sécurité et l’utilisation d’un blindage laser approprié doivent toujours être prises lors de l’exécution de cette procédure.

Bien qu’il existe d’autres approches pour l’étude des informations de base, seule celle-ci permet d’étudier les matériaux contenant du plutonium et d’autres éléments transuraniens. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une certaine compréhension de la façon dont on peut étudier et simuler à l’échelle du laboratoire, mais sur des matériaux nucléaires réels, la formation de corium lors d’un accident de fusion du cœur d’une centrale nucléaire. Sachez que les matériaux permettant de mener ce travail de recherche sont hautement radioactifs.

Ce type d’activités doit toujours être effectué dans le respect des lois locales sur la radioprotection et sous la supervision d’agents autorisés.