Laser-verwarming en Spectrometrie van de Radiance voor de studie van nucleair materiaal in omstandigheden simuleren een ongeval kerncentrale
14 december 2017
Presenteren we experimenten in die echte nucleaire brandstof, gevelbekledingen, en insluiting materialen zijn laser verwarmd tot een temperatuur boven 3000 K terwijl hun gedrag wordt bestudeerd door straling spectroscopie en thermische analyse. Deze experimenten simuleren, op de laboratoriumschaal van een, de vorming van een lava-fase na een kernreactor kern kernsmelting.
Het algemene doel van deze procedure is om de vroege stadia van een kernsmeltingongeval in een kerncentrale op laboratoriumschaal te simuleren, waardoor de studie van het smeltgedrag dat betrokken is bij de vorming van corium mogelijk wordt. Deze experimentele aanpak helpt bij het beantwoorden van belangrijke vragen in de onderzoeksonderzoeken naar ongevallen in kerncentrales. Zo kan men bijvoorbeeld de temperaturen bepalen die, afhankelijk van de atmosfeer, kunnen leiden tot het falen van de thermomechanische stabiliteit van een kern.
Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat deze op afstand wordt uitgevoerd, waardoor het gebruik van echte radioactieve materialen in het experiment mogelijk is. Hoewel deze methode inzicht kan geven in het smeltgedrag van reactorkernmaterialen, kan het ook worden toegepast op andere refractaire keramieken, hoogtemperatuursuperlegeringen en lucht- en ruimtevaartcoatings. Dit is een unieke methode om materialen bij extreem hoge temperaturen gedurende korte tijd te bestuderen.
Het is daarom zeer nuttig om thermodynamische evenwichtsreferentietoestanden vast te stellen voor het waargenomen materiaalgedrag. Kalibreer eerst de snelle tweekanaals pyrometer en de spectropyrometer met behulp van referentienormlampen. Bepaal de kalibratieconstanten.
Monteer in een afgeschermde handschoenenkast met optisch kwaliteitsvensters het monster in een houder met hoogtemperatuur zirkonia lijm of grafiet-, molybdeen- of wolfraamschroeven. Plaats het monster in de houder horizontaal in een gecontroleerde atmosfeer autoclaafreactor met optisch kwaliteitsvensters. Bevestig de autoclaaf op een optisch bord in de handschoenenkast.
Monteer een laserabsorberende grafietscherm achter de autoclaaf. Om temperatuurhomogeniteit te garanderen, selecteer focuseenhedenlenzen om een laserspot te produceren die minstens 10 keer groter is dan de pyrometerkijkspot. Koppel vervolgens de focuseenheid aan een hoogvermogen laservezeloptieksysteem, zorg ervoor dat de glasvezellijnen niet worden geknikt.
Schakel de laagvermogen rode pilootlaser in en richt de straal zo dat de spot zich in het midden van het monster in de autoclaaf bevindt. Schakel vervolgens de argonionlaser in. Richt de laser zo dat de blauwe stip in het midden van de rode pilootlaserspot op het monster staat.
De tweekanaals pyrometer en spectropyrometer zijn op de optische tafel gemonteerd in lijn met het monster. Controleer of de objectieven correct op het monster zijn gericht. Schijn vervolgens een vezelgekoppelde lichtbron in het oogstuk van de tweekanaals pyrometer en controleer of een scherp gedefinieerde kijkspot op het monstersoppervlak wordt geprojecteerd.
Stel de pyrometer zo in dat de kijkspot gecentreerd is binnen de rode en blauwe laserstippen. Richt de spectropyrometer uit met behulp van dezelfde techniek. Controleer vervolgens op parasitaire reflecties van de rode pilootlaser van het monstersoppervlak, de handschoenenkast en de vensters van de autoclaaf.
Plaats grafietschermen waar parasitaire reflecties voorkomen. Evacueer vervolgens de autoclaaf en vul deze vijf keer opnieuw met de reactieatmosfeer. Vul vervolgens de autoclaaf met de reactieatmosfeer tot de gewenste druk.
Wacht tot de zuurstofpotentieel is gestabiliseerd voordat u verdergaat met het experiment. Verbind beide pyrometers en de hoogvermogen laserpotentiometer met een oscilloscoop die als analoog/digitaal converter werkt. Verbind de oscilloscoop met een computer.
Stel in de oscilloscoopsoftware de parameters in de gegevensverzameling triggers in. Vul de pyrometer en spectropyrometer kalibratieconstanten in. Maak in de hoogvermogen lasersoftware een nieuw verwarmingsprogramma.
Als het smeltpunt van het monster hoger is dan 2.500 kelvin, start het programma met een voorverwarmingsfase tot een geschikt vermogensniveau. Definieer vervolgens cycli van drie tot vier snelle laserschoten om het monster ruim boven zijn smelttemperatuur te verwarmen. Het monster moet tijdens een cyclus boven kamertemperatuur blijven.
Maak extra cycli met variërende laserpulsintensiteit en -duur. Test vervolgens vanuit een geschikte gecontroleerde controlekamer het laserverwarmingsprogramma en de gegevensverzameling triggers door op een watergekoelde grafietabsorber te schieten. Zorg ervoor dat het triggersysteem goed werkt en dat de gegevens worden verzameld.
Zodra het systeem klaar is, verwijdert u het grafietschild door de laserpad van absorber naar monster te veranderen. Deactiveer de rode pilootlaser en activeer de hoogvermogen laser. Start het verwarmingsprogramma.
Na de voorverwarmingsfase in de verwarmings-/koelcyclus, pauzeert u het programma en controleert u het uiterlijk van het monster. Controleer of de experimentele thermogrammen succesvol smelten en stollen van het monster aangeven. Als het monster intact is, voert u enkele meer verwarmings-/koelcycli uit en controleert u het monster na elke cyclus.
Ga door met dit proces tot het monster is gesmolten of gebroken. Wanneer het experiment is voltooid, schakelt u de hoogvermogen laser uit, ontlucht de autoclaaf en laat u deze stabiliseren bij atmosferische druk. Breng het monster en monsterstukken over van de autoclaaf naar een afgeschermde container voor latere karakterisering.
Gebruik ethanol en laboratoriumdoekjes om het interieur en de ramen van de autoclaaf schoon te maken. Het smelt- en stolgedraag van uraniumdioxide werd geëvalueerd in atmosferen met toenemende zuurstofgehaltes. Echte temperatuurthermogrammen toonden aan dat verhoogde oxidatieniveaus van uraniumdioxide resulteerden in smelt-stollingspuntdalingen tot 700 kelvin.
De smelt-/vriestemperatuur van plutoniumdioxide werd opnieuw beoordeeld en bleek meer dan 300 kelvin hoger te zijn dan eerder gerapporteerd. Dit werd toegeschreven aan de op afstand verwarmde methode die de hoogtemperatuurinteracties tussen het monster en zijn container vermijdt, die conventionele verwarmingsprocessen zouden beïnvloeden. Gemengde uraniumdioxide-zirkoniumdioxide monsters werden in zowel argon als perslucht bestudeerd.
In de argonatmosfeer bleven de smelt- en stoltemperatuurgemiddelden van het monster ongeveer hetzelfde in opeenvolgende verwarmings- en koelcycli. In perslucht daalden de smelt- en stoltemperaturen gedurende opeenvolgende cycli, wat op monsteroxidatie duidt. Normal
Overzicht
Deze studie presenteert een simulatie op laboratoriumschaal van de beginstadia van een meltdown van een kernreactorcore, met de nadruk op het smeltgedrag van reactormaterialen. Door gebruik te maken van laserverwarmingstechnieken onderzoeken de experimenten de vorming van corium en de thermomechanische stabiliteit van corematerialen.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk vakgebied
- Kerntechniek
- Materiaalkunde
- Thermische analyse
Achtergrond
- Het begrijpen van het gedrag bij kernsmelting is cruciaal voor de nucleaire veiligheid.
- Er worden echte nucleaire materialen gebruikt om hoge-temperatuuromstandigheden te simuleren.
- De studie beoogt inzicht te verschaffen in het materiaalgedrag onder extreme omstandigheden.
- Op afstand uitgevoerde verhittingstechnieken maken veilige experimenten met radioactieve materialen mogelijk.
Doel van de studie
- Om het smeltgedrag van materialen in kernreactoren te simuleren.
- Om temperatuurdrempels voor het falen van de stabiliteit van de reactorcore te bepalen.
- Om thermodynamische referentietoestanden van evenwicht vast te stellen voor waargenomen gedragingen.
Gebruikte Methoden
- Kalibratie van pyrometers voor nauwkeurige temperatuurmeting.
- Gebruik van een autoclaaf met gecontroleerde atmosfeer voor het verhitten van monsters.
- Op afstand uitgevoerde laserverhitting om temperaturen boven 3.000 K te bereiken.
- Gegevensverwerving via oscilloscoopverbindingen voor real-time monitoring.
Belangrijkste resultaten
- Het smeltgedrag van uraniumdioxide vertoonde significante temperatuurvariaties op basis van de oxidatieniveaus.
- Het smeltpunt van plutoniumdioxide is opnieuw beoordeeld en blijkt hoger te zijn dan eerder gerapporteerd.
- Oxidatie-effecten werden waargenomen in mengsels van uraniumdioxide-zirconiumdioxide monsters.
- Koolstofrijk uraniumdicarbide vertoonde een snelle oppervlakteverrijking tijdens het afkoelen.
Conclusies
- De methode van externe verhitting biedt waardevolle inzichten in het gedrag van materialen bij hoge temperaturen.
- De bevindingen dragen bij aan het begrip van de veiligheid van kernreactoren en de stabiliteit van materialen.
- Toekomstige toepassingen kunnen worden uitgebreid naar andere materialen voor hoge temperaturen buiten de context van kernenergie.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor leidinggevenden
Deze methode maakt materiaalkarakterisering bij hoge temperaturen mogelijk onder gesimuleerde ernstige ongevalsomstandigheden, wat bijdraagt aan voorspellende modellering van het gedrag van kernbrandstof. Door thermodynamische referentietoestanden te leveren voor echte actinide-bevattende brandstoffen, helpt het bij het verminderen van risico's bij veiligheidsbeoordelingen voor reactordesigns van de volgende generatie. De mogelijkheid tot remote handling maakt een veilige studie van radioactieve materialen mogelijk, waarbij gegevens worden gegenereerd die cruciaal zijn voor het mechanistische begrip van coriumvorming en scenario's van interactie tussen brandstof en cladding.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om de thermodynamische stabiliteit en fasenovergangsdrempels in materialen met een hoog smeltpunt te onderzoeken.
- Operationele waarde: Maakt op afstand gestuurde tests in een gecontroleerde omgeving van gevaarlijke stoffen mogelijk zonder direct contact.
Screening & assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert kwantitatieve gegevens over smelt-/stolpunten onder verschillende atmosferische omstandigheden voor comparatieve analyse.
- Operationele waarde: Ondersteunt gestandaardiseerde, reproduceerbare protocollen voor thermische cycli voor materiaalscreening onder extreme omstandigheden.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Biedt mechanistische inzichten in oxidatie-gestuurde verlaging van het smeltpunt, wat relevant is voor de materiaalsstabiliteit in reactieve omgevingen.
- Operationele waarde: Maakt het mogelijk om grote datasets te genereren uit meerdere thermische cycli voor statistische validatie van het materiaalgedrag.
Integratie van Pipeline & Workflow
Deze techniek past binnen het ontdekkingscontinuüm door thermische eigenschapsgegevens in een vroeg stadium te verschaffen, die dienen als basis voor latere veiligheidsmodellering en materiaalselectie voor hoge-temperatuurtoepassingen.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetoetsing naar fasestabiliteit en ontbindingspaden van refractaire verbindingen onder extreme hitte.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve temperatuurmetingen die vergelijking van materiaalprestaties in verschillende atmosferen mogelijk maken.
- Analytica: Produceert real-time thermogrammen en spectrale emissiegegevens die statistische analyse van smeltgedrag mogelijk maken.
- Translationeel onderzoek: Verbindt fundamentele thermische gegevens met voorspellende modellen van materiaalprestaties in gesimuleerde ongevallenscenario's.
- Bedrijfsbrede hergebruik: Vestigt een herbruikbaar platform voor hoge-temperatuurkarakterisering van actinidehoudende en refractaire materialen over meerdere onderzoekscycli.
Operationele & Bedrijfsmatige Impact
- Wetenschappelijke waarde: Voorspellende zekerheid over het materiaalgedrag door directe meting van smeltpunten en oxidatie-effecten onder gecontroleerde omstandigheden.
- Operationele waarde: Gestandaardiseerde bediening op afstand met real-time monitoring garandeert reproduceerbaarheid en veiligheid bij het omgaan met gevaarlijke stoffen.
- Strategische waarde: Informeert risicogebaseerde beslissingen over de geschiktheid van brandstofomhulsels en containmentmaterialen door faaldrempels bloot te leggen.
- Impact op portfolio: Maakt datagestuurde prioritering van brandstofformuleringen mogelijk op basis van thermische stabiliteit en resistentie tegen degradatie in oxiderende omgevingen.
Overwegingen bij de implementatie
- Expertise in laserveiligheid, stralingsbehandeling en hoogtemperatuurpyrometrie is vereist.
- De instrumentatie omvat vermogensrijke lasers, tweekanaals pyrometers, spectropyrometers en autoclaven met gecontroleerde atmosfeer en optische toegang.
- Standaardisatie tussen teams is afhankelijk van een consistente kalibratie van optische sensoren en omgevingscontroles (bijv. zuurstofpotentiaal, druk).
- Aanpassing aan andere materiaalsystemen vereist optimalisatie van het laservermogen, de pulsduur en de atmosferische omstandigheden op basis van het smeltpunt en de reactiviteit.
- Praktische beperkingen omvatten de noodzaak van stralingsafscherming, een beperkte monstermaat door autoclavebeperkingen en potentiële oppervlakteverontreiniging door interacties met de smeltkroes indien dit niet adequaat wordt beperkt.
