Laserowa spektrometria nagrzewania i promieniowania do badania materiałów jądrowych w warunkach symulujących awarię elektrowni jądrowej
14 grudnia 2017
Prezentujemy eksperymenty, w których prawdziwe paliwo jądrowe, obudowy i materiały zabezpieczające są podgrzewane laserowo do temperatur powyżej 3 000 K, podczas gdy ich zachowanie jest badane za pomocą spektroskopii radiancji i analizy termicznej. Eksperymenty te symulują, w skali laboratoryjnej, powstawanie fazy lawy po stopieniu rdzenia reaktora jądrowego.
Ogólnym celem tej procedury jest symulacja wczesnych etapów awarii stopienia rdzenia w elektrowni jądrowej w skali laboratoryjnej, umożliwiając badanie zachowania topnienia związanego z powstawaniem korium. To eksperymentalne podejście pomaga odpowiedzieć na kluczowe pytania w badaniach nad awariami w elektrowniach jądrowych. Na przykład można określić temperatury, które w zależności od atmosfery mogą prowadzić do uszkodzenia stabilności termomechanicznej rdzenia.
Główną zaletą tej techniki jest to, że jest ona wykonywana zdalnie, co pozwala na wykorzystanie w eksperymencie prawdziwych materiałów promieniotwórczych. Chociaż metoda ta może zapewnić wgląd w topnienie materiałów rdzenia reaktora, może być również stosowana do innych ogniotrwałych materiałów ceramicznych, nadstopów wysokotemperaturowych i powłok lotniczych. Jest to unikalna metoda badania materiałów w ekstremalnie wysokich temperaturach przez krótki czas.
Jest to zatem bardzo przydatne w celu wyznaczenia stanów odniesienia równowagi termodynamicznej dla obserwowanego zachowania materiału. Najpierw należy skalibrować szybki dwukanałowy pirometr i spektropirometr przy użyciu wzorcowych lamp odniesienia. Określ stałe kalibracji.
W osłoniętym schowku rękawicowym z okienkami jakości optycznej zamontuj próbkę w uchwycie za pomocą wysokotemperaturowego kleju cyrkonowego lub grafitowych, molibdenowych lub wolframowych. Umieścić próbkę w uchwycie poziomo w reaktorze autoklawu z kontrolowaną atmosferą z okienkami o jakości optycznej. Zamocuj autoklaw na tablicy optycznej w schowku na rękawiczki.
Zamontuj ekran grafitowy pochłaniający promieniowanie laserowe za autoklawem. Aby zapewnić jednorodność temperatury, wybierz soczewki jednostki ostrości tak, aby wytwarzały plamkę lasera co najmniej 10 razy większą niż plamka celownicza pirometru. Następnie podłącz jednostkę ostrości do laserowego systemu światłowodowego o dużej mocy, uważając, aby nie załamać linii światłowodowych.
Włącz czerwony laser pilotujący o małej mocy i ustaw wiązkę tak, aby plamka była wyśrodkowana na próbce w autoklawie. Następnie włącz laser jonowy argonu. Ustaw laser tak, aby niebieska plamka znajdowała się w środku czerwonej plamki lasera pilotującego na próbce.
Dwukanałowy pirometr i spektropirometr są zamontowane na stole optycznym w jednej linii z próbką. Sprawdź, czy cele są prawidłowo skoncentrowane na próbce. Następnie skieruj źródło światła sprzężone ze światłowodem do okularu dwukanałowego pirometru i sprawdź, czy ostro zarysowany punkt obserwacyjny jest rzutowany na powierzchnię próbki.
Wyreguluj pirometr tak, aby punkt celowniczy był wyśrodkowany w czerwonych i niebieskich plamkach lasera. Ustawić spektropirometr przy użyciu tej samej techniki. Następnie sprawdź, czy czerwony laser pilotujący nie odbija się od pasożytów od powierzchni próbki, komory rękawicowej i okien autoklawu.
Umieść ekrany grafitowe wszędzie tam, gdzie występują odbicia pasożytów. Następnie opróżnij autoklaw i napełnij go pięciokrotnie atmosferą reakcyjną. Następnie napełnij autoklaw atmosferą reakcyjną do pożądanego ciśnienia.
Poczekaj, aż potencjał tlenu ustabilizuje się przed przystąpieniem do eksperymentu. Podłącz oba pirometry i potencjometr laserowy dużej mocy do oscyloskopu działającego jako przetwornik analogowo-cyfrowy. Podłącz oscyloskop do komputera.
W oprogramowaniu oscyloskopu ustaw parametry w wyzwalaczach akwizycji danych. Wypełnić stałe kalibracji pirometru i spektro-pirometru. W oprogramowaniu lasera o dużej mocy utwórz nowy program grzewczy.
Jeśli temperatura topnienia próbki jest wyższa niż 2 500 kelwinów, uruchom program od podgrzewania stage do odpowiedniego poziomu mocy. Następnie zdefiniuj cykle od trzech do czterech szybkich strzałów laserowych, aby podgrzać próbkę znacznie powyżej temperatury topnienia. Podczas cyklu próbka musi utrzymywać się powyżej temperatury pokojowej.
Twórz dodatkowe cykle o różnej intensywności i czasie trwania impulsu laserowego. Następnie, z odpowiednio osłoniętej sterowni, przetestuj program ogrzewania lasera i wyzwalacze akwizycji danych, strzelając do chłodzonego wodą absorbera grafitowego. Upewnij się, że system wyzwalania działa poprawnie i że dane zostały pozyskane.
Gdy system jest gotowy, zdejmij osłonę grafitową, zmieniając ścieżkę lasera z absorbera na próbkę. Wyłącz czerwony laser pilotujący i aktywuj laser o dużej mocy. Uruchom program grzewczy.
Po etapie podgrzewania w cyklu ogrzewania/chłodzenia wstrzymaj program i sprawdź wygląd próbki. Sprawdzić, czy eksperymentalne termogramy wskazują na pomyślne stopienie i zestalenie próbki. Jeśli próbka jest nienaruszona, wykonaj kilka kolejnych cykli ogrzewania/chłodzenia, sprawdzając próbkę po każdym cyklu.
Kontynuuj ten proces, aż próbka zostanie stopiona lub rozbita. Po zakończeniu eksperymentu wyłącz laser dużej mocy, odpowietrz autoklaw i pozwól mu ustabilizować się pod ciśnieniem atmosferycznym. Przenieść próbkę i fragmenty próbki z autoklawu do osłoniętego pojemnika w celu późniejszej charakterystyki.
Użyj etanolu i chusteczek laboratoryjnych do czyszczenia wnętrza autoklawu i okien. Zachowanie dwutlenku uranu podczas topnienia i krzepnięcia oceniano w atmosferach o rosnącej zawartości tlenu. Termogramy rzeczywistej temperatury wykazały, że zwiększony poziom utlenienia dwutlenku uranu spowodował spadek temperatury krzepnięcia topnienia do 700 kelwinów.
Temperatura topnienia/zamarzania dwutlenku plutonu została ponownie oceniona i okazało się, że jest o ponad 300 kelwinów wyższa niż wcześniej podawano. Przypisano to metodzie zdalnego ogrzewania, która pozwoliła uniknąć interakcji wysokotemperaturowych między próbką a jej pojemnikiem, które miałyby wpływ na konwencjonalne procesy ogrzewania. Próbki mieszaniny dwutlenku uranu i dwutlenku cyrkonu badano zarówno w argonie, jak i sprężonym powietrzu.
W atmosferze argonu temperatury topnienia i krzepnięcia próbki pozostawały w przybliżeniu takie same w kolejnych cyklach ogrzewania i chłodzenia. W sprężonym powietrzu temperatury topnienia i krzepnięcia zmniejszały się w kolejnych cyklach, co sugeruje utlenianie próbki. Normalna analiza emisyjności spektralnej bogatego w węgiel dikarbidku uranu wykazała, że powierzchnia została szybko wzbogacona przez wymieszany węgiel podczas chłodzenia, ale wymieszany węgiel prawie całkowicie odszedł od powierzchni próbki w temperaturze przejścia fazowego alfa-beta.
Po ustaleniu optymalnych warunków doświadczalnych dla danego rodzaju materiału, można przeprowadzić kilka cykli termicznych na różnych próbkach. Jest to duża ilość eksperymentalnych punktów danych, przydatnych do analizy statystycznej. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby zoptymalizować parametry eksperymentalne, takie jak atmosfera wewnątrz naczynia i moc lasera, metodą prób i błędów dla każdego badanego materiału.
Zgodnie z tą procedurą można zastosować inne techniki, takie jak termografia, aby zmierzyć rzeczywisty rozkład temperatury na krawędziach próbki lub takie jak spektrometria ultrafioletowa, aby określić zachowanie emisyjności widmowej w wysokich temperaturach. Nie zapominaj, że praca z laserami o dużej mocy wiąże się z ryzykiem, które musi zostać ocenione przez przeszkolonych specjalistów. Podczas wykonywania tej procedury należy zawsze podejmować środki ostrożności, takie jak noszenie okularów ochronnych i stosowanie odpowiedniej osłony laserowej.
Chociaż istnieją inne podejścia do badania podstawowych informacji, tylko to pozwala na badanie materiałów zawierających pluton i inne pierwiastki transuranu. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś mieć pewne zrozumienie tego, jak można badać i symulować w skali laboratoryjnej, ale na prawdziwych materiałach jądrowych, powstawanie korium w wyniku stopienia rdzenia elektrowni jądrowej. Należy pamiętać, że materiały do prowadzenia tych prac badawczych są wysoce radioaktywne.
Tego rodzaju działania powinny być zawsze wykonywane zgodnie z lokalnymi przepisami dotyczącymi ochrony radiologicznej i pod nadzorem uprawnionych funkcjonariuszy.
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia symulację w skali laboratoryjnej wczesnych etapów stopienia rdzenia reaktora jądrowego, koncentrując się na zachowaniu materiałów reaktorowych podczas topnienia. Dzięki zastosowaniu technik ogrzewania laserowego, eksperymenty badają proces tworzenia się korium oraz stabilność termomechaniczną materiałów rdzenia.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Inżynieria jądrowa
- Inżynieria materiałowa
- Analiza termiczna
Wstęp
- Zrozumienie mechanizmów topnienia rdzenia jest kluczowe dla bezpieczeństwa jądrowego.
- Do symulacji warunków wysokotemperaturowych wykorzystuje się rzeczywiste materiały jądrowe.
- Celem badania jest uzyskanie wiedzy na temat zachowania materiałów w warunkach ekstremalnych.
- Techniki zdalnego ogrzewania umożliwiają bezpieczne przeprowadzanie eksperymentów z materiałami promieniotwórczymi.
Cel badania
- Symulacja zachowania podczas topnienia materiałów reaktora jądrowego.
- Wyznaczenie progów temperaturowych dla utraty stabilności rdzenia.
- Ustalenie referencyjnych stanów równowagi termodynamicznej dla obserwowanych zjawisk.
Zastosowane metody
- Kalibracja pirometrów w celu dokładnego pomiaru temperatury.
- Wykorzystanie autoklawu z kontrolowaną atmosferą do ogrzewania próbek.
- Zdalne ogrzewanie laserowe w celu osiągnięcia temperatur powyżej 3,000 K.
- Akwizycja danych za pomocą połączeń z oscyloskopem w celu monitorowania w czasie rzeczywistym.
Główne wyniki
- Zachowanie topnienia dwutlenku uranu wykazało znaczące wariacje temperatury w zależności od stopnia utlenienia.
- Punkt topnienia dwutlenku plutonu został ponownie oceniony jako wyższy, niż zgłaszano wcześniej.
- Efekty utleniania zaobserwowano w mieszanych próbkach dwutlenku uranu i dwutlenku cyrkonu.
- Wzbogacony w węgiel dwuwieczek uranu wykazywał szybkie wzbogacanie powierzchni podczas chłodzenia.
Wnioski
- Metoda ogrzewania zdalnego dostarcza cennych informacji na temat zachowania materiałów w wysokich temperaturach.
- Wyniki przyczyniają się do zrozumienia bezpieczeństwa reaktorów jądrowych oraz stabilności materiałowej.
- Przyszłe zastosowania mogą objąć inne materiały wysokotemperaturowe poza kontekstem nuklearnym.
Często zadawane pytania
Znaczenie przemysłowe
Metoda ta umożliwia wysokotemperaturową charakterystykę materiałów w symulowanych warunkach ciężkiego wypadku, wspierając modelowanie predykcyjne zachowania paliwa jądrowego. Poprzez dostarczanie termodynamicznych stanów odniesienia dla rzeczywistych paliw zawierających aktynidy, pomaga ona w ograniczaniu ryzyka podczas ocen bezpieczeństwa projektów reaktorów nowej generacji. Możliwość zdalnego sterowania pozwala na bezpieczne badanie materiałów radioaktywnych, dostarczając danych kluczowych dla mechanistycznego zrozumienia procesów tworzenia się korium oraz scenariuszy interakcji paliwo-osłona.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie stabilności termodynamicznej i progów przejść fazowych w materiałach o wysokiej temperaturze topnienia.
- Wartość operacyjna: Zapewnia zdalne testowanie substancji niebezpiecznych w kontrolowanym środowisku bez bezpośredniego kontaktu.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Generuje ilościowe dane dotyczące punktu topnienia/krzepnięcia w różnych warunkach atmosferycznych na potrzeby analizy porównawczej.
- Wartość operacyjna: Wspiera standaryzowane, powtarzalne protokoły cykli termicznych do przesiewania materiałów w ekstremalnych warunkach.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Dostarcza wglądu w mechanizmy obniżenia temperatury topnienia indukowanego utlenianiem, co ma znaczenie dla stabilności materiałów w środowiskach reaktywnych.
- Wartość operacyjna: Umożliwia generowanie dużych zbiorów danych z wielu cykli termicznych w celu statystycznej walidacji zachowania materiału.
Integracja potoku i przepływu pracy
Technika ta wpisuje się w proces odkryć, dostarczając danych o właściwościach termicznych na wczesnym etapie, co umożliwia późniejsze modelowanie bezpieczeństwa oraz dobór materiałów do zastosowań wysokotemperaturowych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących stabilności fazowej i ścieżek rozkładu związków trudnotopliwych w ekstremalnie wysokich temperaturach.
- Przesiewanie: Zapewnia powtarzalne, ilościowe odczyty temperatury, które umożliwiają porównanie właściwości materiałów w różnych atmosferach.
- Analityka: Generuje termogramy w czasie rzeczywistym oraz dane o emisyjności widmowej, co umożliwia statystyczną analizę procesu topnienia.
- Badania translacyjne: Łączy podstawowe dane termiczne z modelami prognostycznymi dotyczącymi zachowania materiałów w symulowanych scenariuszach awarii.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy wielokrotnego użytku platformę do charakterystyki wysokotemperaturowej materiałów trudnotopliwych i zawierających aktynowce w ramach wielu cykli badawczych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Pewność prognostyczna w zakresie zachowania materiałów dzięki bezpośredniemu pomiarowi punktów topnienia oraz efektów utleniania w kontrolowanych warunkach.
- Wartość operacyjna: Standaryzowana, zdalna obsługa z monitorowaniem w czasie rzeczywistym zapewnia powtarzalność i bezpieczeństwo podczas pracy z substancjami niebezpiecznymi.
- Wartość strategiczna: Dostarcza informacji do podejmowania decyzji z uwzględnieniem ryzyka w zakresie przydatności materiałów na osłony paliwowe i elementy obudowy poprzez ujawnienie progów awarii.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację składów paliwowych w oparciu o dane, w zależności od stabilności termicznej i odporności na degradację w środowiskach utleniających.
Wskazówki dotyczące implementacji
- Wymagana jest wiedza specjalistyczna w zakresie bezpieczeństwa laserowego, obchodzenia się z promieniowaniem oraz pyrometrii wysokotemperaturowej.
- Instrumentacja obejmuje lasery wysokiej mocy, dwukanałowe pyrometry, spektropyrometry oraz autoklawy z kontrolowaną atmosferą z dostępem optycznym.
- Standaryzacja międzyzespołowa zależy od spójnej kalibracji czujników optycznych i kontroli środowiska (np. potencjału tlenowego, ciśnienia).
- Adaptacja do innych systemów materiałowych wymaga optymalizacji mocy lasera, czasu trwania impulsu i warunków atmosferycznych w zależności od temperatury topnienia i reaktywności.
- Ograniczenia praktyczne obejmują konieczność osłaniania przed promieniowaniem, ograniczony rozmiar próbek ze względu na wymiary autoklawa oraz potencjalne zanieczyszczenie powierzchni wynikające z oddziaływań z tyglem, jeśli nie zostaną one odpowiednio zminimalizowane.
