Laser-riscaldamento e spettrometria Radiance, per lo studio di materiali nucleari in condizioni, simulando un incidente nucleare

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di simulare le prime fasi di un incidente di fusione del nocciolo in una centrale nucleare su scala di laboratorio, consentendo lo studio del comportamento di fusione coinvolto nella formazione del corium. Questo approccio sperimentale aiuta a rispondere a domande chiave nella ricerca sugli incidenti delle centrali nucleari. Ad esempio, è possibile determinare le temperature che, a seconda dell'atmosfera, possono portare al cedimento della stabilità termomeccanica di un nucleo.

Il vantaggio principale di questa tecnica è che viene eseguita a distanza, consentendo l'utilizzo di materiali radioattivi reali nell'esperimento. Sebbene questo metodo possa fornire informazioni sul comportamento di fusione dei materiali del nucleo del reattore, può essere applicato anche ad altre ceramiche refrattarie, superleghe ad alta temperatura e rivestimenti aerospaziali. Si tratta di un metodo unico per lo studio di materiali ad altissime temperature per tempi brevi.

È quindi molto utile per stabilire stati di riferimento dell'equilibrio termodinamico per il comportamento del materiale osservato. Innanzitutto, calibrare il pirometro veloce a due canali e lo spettropirometro utilizzando lampade standard di riferimento. Determinare le costanti di calibrazione.

In una scatola a guanti schermata con finestre di qualità ottica, montare il campione in un supporto con colla di zirconia ad alta temperatura o viti di grafite, molibdeno o tungsteno. Posizionare il campione nel supporto orizzontalmente in un reattore autoclave ad atmosfera controllata con finestre di qualità ottica. Fissare l'autoclave su una scheda ottica nel vano portaoggetti.

Montare uno schermo in grafite che assorbe il laser dietro l'autoclave. Per garantire l'omogeneità della temperatura, selezionare le lenti dell'unità di messa a fuoco in modo da produrre uno spot laser almeno 10 volte più grande del punto di puntamento del pirometro. Quindi, accoppiare l'unità di messa a fuoco a un sistema laser in fibra ottica ad alta potenza, facendo attenzione a non piegare le linee in fibra ottica.

Accendere il laser pilota rosso a bassa potenza e allineare il raggio in modo che il punto sia centrato sul campione nell'autoclave. Quindi, accendi il laser agli ioni di argon. Allineare il laser in modo che il punto blu si trovi al centro del punto rosso del laser pilota sul campione.

Il pirometro a due canali e lo spettropirometro sono montati sul tavolo ottico in linea con il campione. Verificare che gli obiettivi siano correttamente focalizzati sul campione. Quindi, inserire una sorgente luminosa accoppiata a fibre nell'oculare del pirometro a due canali e verificare che un punto di avvistamento ben definito sia proiettato sulla superficie del campione.

Regolare il pirometro in modo che il punto di avvistamento sia centrato all'interno dei punti laser rosso e blu. Allineare lo spettropirometro utilizzando la stessa tecnica. Quindi, verificare la presenza di riflessi parassiti del laser pilota rosso dalla superficie del campione, dal vano portaoggetti e dalle finestre dell'autoclave.

Posiziona gli schermi di grafite ovunque si verifichino riflessioni di parassiti. Quindi, evacuare l'autoclave e riempirla con l'atmosfera di reazione cinque volte. Quindi, riempire l'autoclave con l'atmosfera di reazione alla pressione desiderata.

Attendere che il potenziale di ossigeno si stabilizzi prima di procedere con l'esperimento. Collegare sia i pirometri che il potenziometro laser ad alta potenza a un oscilloscopio che funge da convertitore analogico/digitale. Collegare l'oscilloscopio a un computer.

Nel software dell'oscilloscopio, impostare i parametri nei trigger di acquisizione dati. Inserire le costanti di calibrazione del pirometro e dello spettropirometro. Nel software laser ad alta potenza, creare un nuovo programma di riscaldamento.

Se il punto di fusione del campione è superiore a 2.500 kelvin, avviare il programma con una fase di preriscaldamento a un livello di potenza adeguato. Quindi, definire cicli di tre o quattro colpi laser rapidi per riscaldare il campione ben al di sopra della sua temperatura di fusione. Il campione deve rimanere al di sopra della temperatura ambiente durante un ciclo.

Crea cicli aggiuntivi con intensità e durata dell'impulso laser variabili. Quindi, da una sala di controllo adeguatamente schermata, testare il programma di riscaldamento laser e i trigger di acquisizione dei dati sparando su un assorbitore di grafite raffreddato ad acqua. Assicurarsi che il sistema di trigger funzioni correttamente e che i dati vengano acquisiti.

Una volta che il sistema è pronto, rimuovere lo schermo di grafite modificando il percorso del laser dall'assorbitore al campione. Disattivare il laser pilota rosso e attivare il laser ad alta potenza. Avviare il programma di riscaldamento.

Dopo la fase di preriscaldamento del ciclo di riscaldamento/raffreddamento, mettere in pausa il programma e controllare l'aspetto del campione. Verificare che i termogrammi sperimentali indichino l'avvenuta fusione e solidificazione del campione. Se il campione è integro, eseguire diversi cicli di riscaldamento/raffreddamento, controllando il campione dopo ogni ciclo.

Continuare questo processo fino a quando il campione non si scioglie o si rompe. Al termine dell'esperimento, spegnere il laser ad alta potenza, sfiatare l'autoclave e lasciarla stabilizzare a pressione atmosferica. Trasferire il campione e i frammenti di campione dall'autoclave a un contenitore schermato per la successiva caratterizzazione.

Utilizzare etanolo e salviette da laboratorio per pulire l'interno dell'autoclave e i finestrini. Il comportamento di fusione e solidificazione del biossido di uranio è stato valutato in atmosfere con contenuto di ossigeno crescente. I termogrammi a temperatura reale hanno mostrato che l'aumento dei livelli di ossidazione del biossido di uranio ha provocato una diminuzione del punto di solidificazione della fusione fino a 700 kelvin.

La temperatura di fusione/congelamento del biossido di plutonio è stata rivalutata e si è scoperto che era superiore di oltre 300 kelvin rispetto a quanto precedentemente riportato. Ciò è stato attribuito al metodo di riscaldamento remoto che evita le interazioni ad alta temperatura, tra il campione e il suo contenitore, che influenzerebbero i processi di riscaldamento convenzionali. Sono stati studiati campioni misti di biossido di uranio e biossido di zirconio sia in argon che in aria compressa.

Nell'atmosfera di argon, le temperature di fusione e solidificazione del campione sono rimaste approssimativamente le stesse nei successivi cicli di riscaldamento e raffreddamento. Nell'aria compressa, le temperature di fusione e solidificazione sono diminuite nei cicli successivi, suggerendo l'ossidazione del campione. La normale analisi dell'emissività spettrale del dicarburo di uranio ricco di carbonio ha indicato che la superficie si è rapidamente arricchita di carbonio demiscelato durante il raffreddamento, ma il carbonio demiscelato era quasi completamente migrato dalla superficie del campione alla temperatura di transizione di fase alfa-beta.

Una volta stabilite le condizioni sperimentali ottimali per un determinato tipo di materiale, è possibile eseguire diversi cicli termici su diversi campioni. Si tratta di una grande quantità di dati sperimentali, utili per l'analisi statistica. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ottimizzare i parametri sperimentali, come l'atmosfera all'interno del recipiente e la potenza del laser con un metodo di prova ed errore per ogni materiale studiato.

Altre tecniche possono essere eseguite seguendo questa procedura, come la termografia, per misurare l'effettiva distribuzione della temperatura ai bordi del campione, o come la spettrometria ultravioletta, per determinare il comportamento dell'emissività spettrale ad alte temperature. Non dimenticare che lavorare con laser ad alta potenza comporta rischi che devono essere valutati da professionisti qualificati. Durante l'esecuzione di questa procedura è necessario adottare sempre precauzioni come indossare occhiali di sicurezza e utilizzare un'adeguata schermatura laser.

Sebbene esistano altri approcci per lo studio delle informazioni di base, solo questo permette di studiare materiali contenenti plutonio e altri elementi transuranici. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una certa comprensione di come si può studiare e simulare su scala di laboratorio, ma su materiali nucleari reali, la formazione di corium in un incidente di fusione del nucleo di una centrale nucleare. Siate consapevoli del fatto che i materiali per condurre questo lavoro di ricerca sono altamente radioattivi.

Questo tipo di attività deve essere sempre svolta nel rispetto delle leggi locali sulla radioprotezione e sotto la supervisione di funzionari autorizzati.