לייזר-חימום, ספקטרומטר Radiance לחקר חומרים גרעיניים בתנאים הדמיית תאונת הגרעין
14 בדצמבר 2017
אנו מציגים ניסויים אילו דלק גרעיני אמיתי, מול, חומרי בידוד לייזר מחוממת לטמפרטורות מעבר K 3000 בעוד ההתנהגות שלהם הוא נחקר על ידי הזוהר ספקטרוסקופיה ו אנליזה תרמית. ניסויים אלה לדמות, בקנה מידה מעבדה, היווצרות של לבה-שלב בעקבות התמוטטות ליבת כור גרעיני.
המטרה הכוללת של הליך זה היא לדמות את השלבים המוקדמים של תאונת התכת ליבה בתחנת כוח גרעינית בקנה מידה מעבדתי, ולאפשר לחקור את התנהגות ההיתוך הכרוכה בהיווצרות קוריום. גישה ניסיונית זו עוזרת לענות על שאלות מפתח בחקר תאונות תחנות כוח גרעיניות. לדוגמה, ניתן לקבוע את הטמפרטורות אשר, בהתאם לאטמוספירה, עלולות להוביל לכשל ביציבות התרמו-מכנית של הליבה.
היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהיא מבוצעת מרחוק, ומאפשרת שימוש בחומרים רדיואקטיביים אמיתיים בניסוי. למרות ששיטה זו יכולה לספק תובנה לגבי התנהגות ההיתוך של חומרי הליבה של הכור, ניתן ליישם אותה גם על קרמיקה עקשן אחרת, סגסוגות-על בטמפרטורה גבוהה וציפויים תעופה וחלל. זוהי שיטה ייחודית ללימוד חומרים בטמפרטורות גבוהות במיוחד לפרקי זמן קצרים.
לכן זה שימושי מאוד על מנת לקבוע מצבי ייחוס שיווי משקל תרמודינמיים להתנהגות החומר הנצפית. ראשית, כייל את הפירומטר הדו-ערוצי המהיר ואת הספקטרו-פירומטר באמצעות מנורות סטנדרטיות ייחוס. קבע את קבועי הכיול.
בתא כפפות מוגן עם חלונות באיכות אופטית, הרכיבו את הדגימה במחזיק עם דבק זירקוניה בטמפרטורה גבוהה או ברגי גרפיט, מוליבדן או טונגסטן. הנח את הדגימה במחזיק אופקית בכור חיטוי באווירה מבוקרת עם חלונות באיכות אופטית. אבטח את החיטוי על לוח אופטי בתא הכפפות.
התקן מסך גרפיט סופג לייזר מאחורי החיטוי. כדי להבטיח הומוגניות בטמפרטורה, בחר עדשות יחידת מיקוד כדי לייצר נקודת לייזר גדולה לפחות פי 10 מנקודת הראייה של הפירומטר. לאחר מכן, חבר את יחידת המיקוד למערכת סיבים אופטיים לייזר בעלת הספק גבוה, והקפיד לא לעקם את קווי הסיבים האופטיים.
הפעל את לייזר הטייס האדום בעל הספק נמוך, ויישר את הקרן כך שהנקודה תהיה מרוכזת על הדגימה בחיטוי. לאחר מכן, הפעל את לייזר יוני הארגון. יישר את הלייזר כך שהנקודה הכחולה תהיה במרכז נקודת הלייזר האדומה של הטייס על הדגימה.
הפירומטר הדו-ערוצי והספקטרו-פירומטר מותקנים על השולחן האופטי בהתאם לדגימה. בדוק שהמטרות ממוקדות נכון במדגם. לאחר מכן, האירו מקור אור מצומד סיבים לתוך העינית של הפירומטר הדו-ערוצי, וודאו שנקודת ראייה מוגדרת בחדות מוקרנת על משטח הדגימה.
כוונן את הפירומטר כך שנקודת הראייה תהיה מרוכזת בתוך כתמי הלייזר האדומים והכחולים. יישר את הספקטרו-פירומטר באותה טכניקה. לאחר מכן, בדוק אם יש השתקפויות טפילים של לייזר הפיילוט האדום ממשטח הדגימה, תא הכפפות וחלונות החיטוי.
מקם רשתות גרפיט בכל מקום שבו מתרחשות השתקפויות טפיל. לאחר מכן, פנו את החיטוי ומלאו אותו מחדש באטמוספירת התגובה חמש פעמים. לאחר מכן, מלאו את החיטוי באווירת התגובה ללחץ הרצוי.
המתן עד שפוטנציאל החמצן יתייצב לפני שתמשיך בניסוי. חבר גם פירומטרים וגם את פוטנציומטר הלייזר בעל הספק גבוה לאוסילוסקופ הפועל כממיר אנלוגי/דיגיטלי. חבר את האוסילוסקופ למחשב.
בתוכנת האוסילוסקופ, הגדר את הפרמטרים בטריגרים לרכישת נתונים. מלא את קבועי הכיול של הפירומטר והספקטרו-פירומטר. בתוכנת הלייזר בעלת העוצמה הגבוהה, צור תוכנית חימום חדשה.
אם נקודת ההיתוך של הדגימה גבוהה מ-2,500 קלווין, התחל את התוכנית עם חימום מוקדם שלב לרמת הספק מתאימה. לאחר מכן, הגדר מחזורים של שלוש עד ארבע זריקות לייזר מהירות כדי לחמם את הדגימה הרבה מעל טמפרטורת ההיתוך שלה. הדגימה חייבת להישאר מעל טמפרטורת החדר במהלך מחזור.
צור מחזורים נוספים עם עוצמת ומשך דופק לייזר משתנים. לאחר מכן, מחדר בקרה מוגן כראוי, בדוק את תוכנית חימום הלייזר ואת הטריגרים של רכישת הנתונים על ידי ירי על בולם גרפיט מקורר מים. ודא שמערכת ההדק פועלת כראוי ושהנתונים נרכשים.
לאחר שהמערכת מוכנה, הסר את מגן הגרפיט על ידי שינוי נתיב הלייזר מבולם לדגימה. השבת את לייזר הטייס האדום והפעל את הלייזר בעל ההספק הגבוה. התחל את תוכנית החימום.
לאחר החימום המוקדם stage במחזור החימום/קירור, השהה את התוכנית ובדוק את מראה הדגימה. ודא שהתרמוגרמות הניסיוניות מצביעות על התכה והתמצקות מוצלחת של הדגימה. אם הדגימה שלמה, בצע מספר מחזורי חימום/קירור נוספים, ובדוק את הדגימה לאחר כל מחזור.
המשך בתהליך זה עד שהדגימה נמסה או נשברת. בסיום הניסוי, כבו את הלייזר בעל העוצמה הגבוהה, אווררו את החיטוי ואפשרו לו להתייצב בלחץ אטמוספרי. העבר את הדגימה ושברי הדגימה מהחיטוי למיכל מוגן לאפיון מאוחר יותר.
השתמש באתנול ובמגבוני מעבדה כדי לנקות את פנים החיטוי והחלונות. התנהגות ההיתוך וההתמצקות של אורניום דו חמצני הוערכה באטמוספרות עם תכולת חמצן הולכת וגוברת. תרמוגרמות טמפרטורה אמיתיות הראו כי רמות חמצון מוגברות של אורניום דו חמצני הביאו לירידה בנקודת ההתמצקות של עד 700 קלווין.
טמפרטורת ההיתוך/הקפאה של פלוטוניום דו חמצני הוערכה מחדש ונמצאה גבוהה ביותר מ-300 קלווין ממה שדווח בעבר. זה יוחס לשיטת החימום מרחוק שנמנעה מאינטראקציות בטמפרטורה גבוהה, בין הדגימה למיכל שלה, שישפיעו על תהליכי חימום קונבנציונליים. דגימות מעורבות של אורניום דו חמצני-זירקוניום דו חמצני נחקרו הן בארגון והן באוויר דחוס.
באטמוספירת הארגון, טמפרטורות ההיתוך וההתמצקות של הדגימה נשארו בערך זהות במחזורי חימום וקירור עוקבים. באוויר דחוס, טמפרטורות ההיתוך וההתמצקות ירדו לאורך מחזורים עוקבים, מה שמרמז על חמצון הדגימה. ניתוח פליטה ספקטרלי רגיל של אורניום דיקרביד עשיר בפחמן הצביע על כך שהמשטח הועשר במהירות על ידי פחמן מעורבב במהלך הקירור, אך הפחמן המעורבב נדד כמעט לחלוטין הרחק משטח הדגימה בטמפרטורת המעבר של פאזה אלפא-בטא.
לאחר קביעת תנאי הניסוי האופטימליים עבור סוג נתון של חומר, ניתן לבצע מספר מחזורים תרמיים על דגימות שונות. זוהי כמות גדולה של נקודות נתונים ניסיוניות, שימושיות לניתוח סטטיסטי. בזמן ניסיון הליך זה, חשוב לייעל את הפרמטרים הניסיוניים, כמו האטמוספירה בתוך הכלי ועוצמת הלייזר בשיטת ניסוי וטעייה עבור כל חומר שנחקר.
ניתן לבצע טכניקות אחרות בעקבות הליך זה, כמו תרמוגרפיה, כדי למדוד את התפלגות הטמפרטורה בפועל בקצוות הדגימה, או כמו ספקטרומטריה אולטרה סגולה, כדי לקבוע את התנהגות הפליטה הספקטרלית בטמפרטורות גבוהות. אל תשכח שעבודה עם לייזרים בעלי הספק גבוה כרוכה בסיכונים שיש להעריך על ידי אנשי מקצוע מיומנים. יש לנקוט תמיד באמצעי זהירות כמו הרכבת משקפי מגן ושימוש במיגון לייזר מתאים בעת ביצוע הליך זה.
למרות שקיימות גישות אחרות לחקר מידע הליבה, רק זו מאפשרת חקירה של חומרים המכילים פלוטוניום ויסודות טרנס-אורניום אחרים. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין כיצד ניתן ללמוד ולדמות בקנה מידה מעבדתי, אך על חומרים גרעיניים אמיתיים, היווצרות קוריום בתאונת התכה של ליבת תחנת כוח גרעינית. שים לב שהחומרים להובלת עבודת מחקר זו הם רדיואקטיביים מאוד.
פעילויות מסוג זה צריכות להתבצע תמיד בהתאם לחוקי הגנת הרדיו המקומיים ובפיקוח של קצינים מורשים.
סקירה כללית
מחקר זה מציג סימולציה בקנה מידה מעבדתי של השלבים המוקדמים של התכת ליבת כור גרעיני, תוך התמקדות בהתנהגות ההתכה של חומרי הכור. באמצעות שימוש בטכניקות חימום בלייזר, הבדיקות בוחנות את היווצרות הקוריום ואת היציבות התרמו-מכנית של חומרי הליבה.
מרכיבי המחקר המרכזיים
תחום המדע
- הנדסה גרעינית
- מדע החומרים
- אנליזה תרמית
רקע
- הבנת התנהגות התכת ליבת הכור היא קריטית לבטיחות גרעינית.
- חומרים גרעיניים אמיתיים משמשים לסימולציה של תנאי טמפרטורה גבוהה.
- המחקר נועד לספק תובנות לגבי התנהגות חומרים בתנאים קיצוניים.
- טכניקות חימום מרחוק מאפשרות ניסויים בטוחים עם חומרים רדיואקטיביים.
מטרת המחקר
- לסימולציה של התנהגות ההתכה של חומרים בכור גרעיני.
- לקביעת ספי TEMPERATURE thresholds לכשל ביציבות הליבה.
- להגדרת מצבי ייחוס של שיווי משקל תרמודינמי עבור התנהגויות שנצפו.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- כיול פירומטרים למדידת טמפרטורה מדויקת.
- שימוש באוטוקלאב בעל אטמוספירה מבוקרת לחימום דגימות.
- חימום בלייזר מרחוק להשגת טמפרטורות מעל 3,000 K.
- רכישת נתונים באמצעות חיבורי אוסצילוסקופ לניטור בזמן אמת.
תוצאות עיקריות
- התנהגות ההתכה של אורניום דו-חמצני הראתה תנודות משמעותיות בטמפרטורה בהתבסס על רמות החמצון.
- נקודת ההתכה של פלוטוניום דו-חמצני הוערכה מחדש כגבוהה מזו שדווחה בעבר.
- השפעות חמצון נצפו בדגימות מעורבבות של אורניום דו-חמצני וזרקוניום דו-חמצני.
- אורניום דיקרביד עשיר בפחמן הפגין העשרה מהירה של השטח במהלך הקירור.
מסקנות
- שיטת החימום מרחוק מספקת תובנות בעלות ערך לגבי התנהגות חומרים בטמפרטורות גבוהות.
- הממצאים תורמים להבנת בטיחות כורים גרעיניים ויציבות חומרים.
- יישומים עתידיים עשויים להתרחב לחומרים אחרים העמידים לטמפרטורות גבוהות מעבר להקשרים גרעיניים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
שיטה זו מאפשרת אפיון חומרים בטמפרטורה גבוהה תחת תנאי תאונה חמורה מדומים, ובכך תומכת במידול חיזוי של התנהגות דלק גרעיני. על ידי אספקת מצבי ייחוס תרמודינמיים עבור דלקים אמיתיים המכילים אקטינידים, היא מסייעת בהפחתת סיכונים בהערכות בטיחות עבור תכנוני כורים מהדור הבא. יכולת הטיפול מרחוק מאפשרת מחקר בטוח של חומרים רדיואקטיביים, ומפיקה נתונים קריטיים להבנה מכניסטית של תהליכי היווצרות קוריום ותרחישי אינטראקציה בין הדלק למעטפת.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של יציבות תרמודינמית וספי תמעבר פאזה בחומרים בעלי נקודת היתוך גבוהה.
- ערך תפעולי: מספק בדיקה של חומרים מסוכנים מרחוק, בסביבה מבוקרת וללא מגע ישיר.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר נתונים כמותיים של נקודות התכה/הקשרה בתנאי אטמוספירה משתנים לצורך ניתוח השוואתי.
- ערך תפעולי: תומך בפרוטוקולים סטנדרטיים וניתנים לשחזור של מחזורי תרמיים לסריקת חומרים תחת תנאים קיצוניים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מספק תובנות מכניסטיות לגבי ירידה בנקודת ההתכה המונעת על ידי חמצון, הרלוונטית ליציבות חומרים בסביבות ריאקטיביות.
- ערך תפעולי: מאפשר יצירה של מערכי נתונים גדולים ממספר מחזורי תרמיים לצורך תיקוף סטטיסטי של התנהגות החומר.
שילוב תהליכי עבודה ומסלולי עיבוד
טכניקה זו משתלבת ברצף הגילוי על ידי אספקת נתונים על תכונות תרמיות בשלב מוקדם, המהווים בסיס למידול בטיחות בהמשך התהליך ולבחירת חומרים עבור יישומים בטמפרטורות גבוהות.
- ביולוגיה של הגילוי: תומך בבדיקת היפותזות על יציבות פאזה ומסלולי פירוק של תרכובים עמידים בחום תחת חום קיצוני.
- סריקה: מספק קריאות טמפרטורה כמותיות וניתנות לשחזור, המאפשרות השוואה של ביצועי חומרים באטמוספירות שונות.
- אנליטיקה: מייצר תרמוגרמות בזמן אמת ונתוני פליטות ספקטרליים המאפשרים ניתוח סטטיסטי של התנהגות ההמסה.
- מחקר תרגומי: מקשר נתוני תרמיקה בסיסיים למודלים חיזויים של ביצועי חומרים בתרחישי תאונה מדומים.
- שימוש חוזר ארגוני: מקיים פלטפורמה לשימוש חוזר לאפיון בטמפרטורות גבוהות של חומרים עמידים בחום ומכילים אקטינידים לאורך מחזורי חקירה מרובים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: ביטחון חיזוי בהתנהגות חומרים באמצעות מדידה ישירה של נקודות התכה והשפעות חמצון תחת תנאים מבוקרים.
- ערך תפעולי: תפעול מרחוק סטנדרטי עם ניטור בזמן אמת מבטיח הדירות ובטיחות בעת טיפול בחומרים מסוכנים.
- ערך אסטרטגי: מספק בסיס לקבלת החלטות מותאמות סיכונים לגבי התאמת חומרי ציפוי דלק וחומרי הכלה, על ידי חשיפת ספי סף לכשיל.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תעדוף מונחה-נתונים של הרכבי דלק בהתבסס על יציבות תרמית ועמידות לדגרדציה בסביבות מחמצנות.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בבטיחות לייזר, טיפול בקרינה ופירומטריה בטמפרטורות גבוהות.
- המכשור כולל לייזרים בעלי הספק גבוה, פירומטרים דו-ערוציים, ספקטרו-פירומטרים ואוטוקלבים באטמוספירה מבוקרת עם גישה אופטית.
- סטנדרטיזציה בין צוותים תלויה בכיול עקבי של חיישנים אופטיים ובקרות סביבתיות (למשל, פוטנציאל חמצן, לחץ).
- התאמה למערכות חומרים אחרות מחייבת אופטימיזציה של הספק הלייזר, משך הפולס ותנאי האטמוספירה בהתבסס על נקודת ההמסה והתגובתיות.
- מגבלות מעשיות כוללות את הצורך במיגון קרינה, גודל דגימה מוגבל עקב מגבלות האוטוקלב, וזיהום פני שטח פוטנציאלי כתוצאה מאינטראקציות עם כור ההיתוך אם לא ננקטו אמצעי מניעה מתאימים.
