Name: Laserowa spektrometria nagrzewania i promieniowania do badania materiałów jądrowych w warunkach symulujących awarię elektrowni jądrowej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-12-14T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 18 s
Description: Poznaj metodę zdalnego podgrzewania laserowego do badania topnienia materiałów jądrowych w symulowanych warunkach awarii reaktora. Technika ta umożliwia bezpieczne eksperymenty z radioaktywnymi próbkami przy temperaturach powyżej 3000 K.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Autorzy są wdzięczni Komisji Europejskiej za finansowanie obecnych badań w ramach jej instytucjonalnych programów badawczych. Ponadto część prezentowanych badań została sfinansowana w ramach VI Programu Ramowego WE w ramach projektu F-BRIDGE oraz 7 FP w ramach projektów SAFEST i GENTLY.

<ol><li>Council Directive 2009/71/Euratom of 25 June 2009 establishing a Community framework for the nuclear safety of nuclear installations. , Available from: 
 <a target="_blank" href="http://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?qid=1412848109512&uri=CELEX%3A32009L0071">http://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?qid=1412848109512&uri=CELEX%3A32009L0071</a> (2009).</li>
<li>Manara, D., Ronchi, C., Sheindlin, M., Lewis, M., Brykin, M. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/222144860_Melting_of_Stoichiometric_and_Hyperstoichiometric_Uranium_Dioxide">Melting of stoichiometric and hyperstoichiometric uranium dioxide.</a> J. Nucl. Mater. 342, 148-163 (2005).</li>
<li>Manara, D., Sheindlin, M., Heinz, W., Ronchi, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((New+techniques+for+high-temperature+melting+measurements+in+volatile+refractory+materials+via+laser+surface+heating%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">New techniques for high-temperature melting measurements in volatile refractory materials via laser surface heating.</a> Review of Scientific Instruments. 79, 113901-113908 (2008).</li>
<li>De Bruycker, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702110702042">Reassessing the melting temperature of PuO2.</a> Materials Today. 13, 52-55 (2010).</li>
<li>Kato, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022311507008276">Solidus and liquidus temperatures in the UO2-PuO2 system.</a> J. Nucl. Mater. 373, 237-245 (2008).</li>
<li>DeWitt, D. P., Richmond, J. C. Thermal radiative properties of materials. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aDeWitt%2C+DP+%22Theory+and+practice+of+radiation+thermometry%22">Theory and practice of radiation thermometry</a>. DeWitt, D. P., Nutter, G. D. , Wiley. New York. (1988).</li>
<li>Neuer, G., Fiessler, L., Groll, M., Schreiber, E. Critical analysis of the different methods of multiwavelength pyrometry. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aNeuer%2C+G+%22Temperature%3A+its+measurement+and+control+in+science+and+industry%2C+vol.+6%22">Temperature: its measurement and control in science and industry, vol. 6</a>. Schooley, J. F. , AIP. New York. 787-789 (1992).</li>
<li>Jacquemain, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.edp-open.org/images/stories/books/fulldl/Nuclear_Power_Reactor_Core_Melt_Accidents.pdf">Nuclear Power Reactor Core Melt Accidents. State of Knowledge</a>. , EDP Science. ISBN: 978-2-7598-1835-8 1835-1838 (2015).</li>
<li>Manara, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955221912006991">The ZrC-C eutectic structure and melting behaviour: A high-temperature radiance spectroscopy study.</a> J. Eur. Ceram. Soc. 33, 1349-1361 (2013).</li>
<li>Manara, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955221913005918">On the melting behaviour of calcium monoxide under different atmospheres: A laser heating study.</a> J. Eur. Ceram. Soc. 34, 1623-1636 (2014).</li>
<li>Welland, M. J., Thompson, W. T., Lewis, B. J., Manara, D. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S002231150800740X">Computer simulations of non-congruent melting of hyperstoichiometric uranium dioxide.</a> J. Nucl. Mater. 385, 358-363 (2009).</li>
<li>Olander, D. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022311509000063">Nuclear Fuels- Present and future.</a> J. Nucl. Mater. 389, 1-22 (2009).</li>
<li>De Bruycker, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+melting+behaviour+of+plutonium+dioxide%3A+A+laser-heating+study%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Nucl.+Mater%22%5BJournal%5D)">The melting behaviour of plutonium dioxide: A laser-heating study.</a> J. Nucl. Mater. 416, 166-172 (2011).</li>
<li>Manara, D., Boboridis, K., Morel, S., De Bruycker, F. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022311515301653">The UC2-x - Carbon eutectic: A laser heating study.</a> J. Nucl. Mater. 466, 393-401 (2015).</li>
<li>Barrachin, M., Chevalier, P. Y., Cheynet, B., Fischer, E. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/229247976_New_modelling_of_the_U-O-Zr_phase_diagram_in_the_hyper-stoichiometric_region_and_consequences_for_the_fuel_rod_liquefaction_in_oxidising_conditions">New modelling of the U-O-Zr phase diagram in the hyper-stoichiometric region and consequences for the fuel rod liquefaction in oxidising conditions.</a> J. Nucl. Mater. 375, 397-409 (2008).</li>
<li>Guéneau, C., Chartier, A., Van Brutzel, L. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/264450317_Thermodynamic_and_Thermophysical_Properties_of_the_Actinide_Oxides">Thermodynamic and thermophysical properties of the actinide oxides.</a> Comp Nucl Mater. 2, 21-59 (2012).</li>
<li>Preston-Thomas, H. The International Temperature Scale of 1991 (ITS-90). Metrologia. 27, 3-10 (1990).</li>
<li>Preston-Thomas, H. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0026-1394/27/2/010/meta">Erratum: The International Temperature Scale of 1990 (ITS-90).</a> Metrologia. 27, 107(1990).</li>
<li>Bedford, R. E., Bonnier, G., Maas, H., Pavese, F. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/44062540_Recommended_Values_of_Temperature_on_the_International_Temperature_Scale_of_1990_for_a_Selected_Set_of_Secondary_Reference_Points">Recommended values of temperature on the International Temperature Scale of 1990 for a selected set of secondary reference points.</a> Metrologia. 33, 133-154 (1996).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Przedstawiona tutaj technika spektroskopii promieniowania z podgrzewaniem laserowym jest uznawana za innowacyjną i skuteczną metodę badania zachowania materiałów ogniotrwałych w bardzo wysokich temperaturach oraz ich procesu topnienia15, 16. Dzięki zdalnemu charakterowi pomiaru i niemal całkowitemu brakowi kontaktu z pojemnikiem, metoda ta jest szczególnie odpowiednia do eksperymentalnych badań radioaktywnych materiałów jądrowych oraz symulacji wypadków związanych z przetopieniem rdzenia w elektrowniach jądrowych, co obrazują przedstawione tutaj wyniki.
Podczas oceny danych eksperymentalnych uzyskanych obecną metodą należy bez wątpienia zachować ostrożność przy poprawnym przypisywaniu punktów eksperymentalnych do przejść fazowych. W rzeczywistości w bardzo wysokich temperaturach kinetyka materiału może być niezwykle szybka i mogą wystąpić zjawiska trudne do kontrolowania, takie jak parowanie niekongruentne, segregacja, dysocjacja związków itp. Jak pokazuje porównanie z bardziej tradycyjnymi metodami grzania (takimi jak piece indukcyjne), możliwość wystąpienia takich zjawisk uzasadnia zastosowanie techniki szybkiego grzania i chłodzenia, takiej jak obecna. Z drugiej strony mogą pojawić się wątpliwości co do efektywnej stabilizacji warunków równowagi termodynamicznej w obecnych warunkach grzania. Jak wyjaśniono w sekcji procedury, takich warunków nie można zagwarantować podczas etapu szybkiego grzania laserowego w cyklach termicznych. Jednakże warunki równowagi termodynamicznej są z pewnością osiągane na etapie chłodzenia. Stwierdzenie to zostało zweryfikowane za pomocą kodów komputerowych symulujących obecne eksperymenty w oparciu o dyfuzję masy i ciepła w warunkach bliskich równowadze w obecności lokalnych przejść fazowych11. Niemniej jednak warunki równowagi termodynamicznej powinny być zawsze sprawdzane eksperymentalnie, zazwyczaj poprzez pomiar dobrze określonych temperatur przejść fazowych w związkach, które mogą służyć jako referencje. W niniejszej pracy zrealizowano to poprzez wyznaczenie punktów topnienia/krzepnięcia W, Mo (zalecanych jako wtórne temperatury referencyjne w Międzynarodowej Skali Temperatur z 1990 roku17,18,19), UO2 oraz eutektyki ZrC-C9. Pomiar takich punktów referencyjnych jest również niezbędny do oceny dokładności i niepewności zastosowanego podejścia.
Biorąc pod uwagę ekstremalne warunki i zjawiska występujące w eksperymentach z ogrzewaniem laserowym, precyzyjna analiza niepewności jest kluczowa dla użyteczności uzyskanych danych. Dla pomyślnych kampanii pomiarowych skumulowana niepewność wpływająca na dane dotyczące temperatury przejścia fazowego powinna wynosić ±1% temperatury bezwzględnej, przy współczynniku pokrycia równym 2 odchyleniom standardowym (poziom ufności 95%). Zakresy niepewności mogą być większe w przypadku materiałów złożonych, gdzie na przykład parowanie niekongruentne może w niekontrolowany sposób zmieniać rzeczywisty skład próbki podczas eksperymentów. Taka niepewność powinna uwzględniać błędy wynikające z procedury kalibracji, wyznaczania NSE, stabilności próbki (t.j. powtarzalności eksperymentalnych temperatur przejścia fazowego w kolejnych impulsach lasera) itd. Przykład analizy niepewności dla punktu topnienia/krzepnięcia PuO2 przedstawiono w tabeli 1. Poszczególne składowe niepewności można uznać za niezależne i połączyć zgodnie z prawem propagacji błędów3.
<img alt="Tabela analizy niepewności termicznej z wzorami na emisyjność, kalibrację i efekty rozproszenia danych." src="/files/ftp_upload/54807/54807table1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Tabela 1"> 
Tabela 1: Przykład analizy niepewności dla punktu topnienia/krystalizacji PuO2 (Referencja13). 
Znaczenie i wartość c2 opisano w sekcji wstępnej wraz z komentarzami do równania 1. Δελ oznacza tutaj dwa odchylenia standardowe wokół średniej wartości eksperymentalnej uzyskanej dla ελ poprzez dopasowanie eksperymentalnych widm promieniowania w ramach założenia ciała szarego. δTc oraz δTd reprezentują odpowiednio dwa odchylenia standardowe wokół średniej ekstrapolowanej krzywej temperatury lampy wzorcowej oraz średniej eksperymentalnej wartości temperatury krzepnięcia.
Obecne podejście eksperymentalne można ulepszyć. W szczególności, połączenie naczynia ciśnieniowego ze spektrometrem mas za pomocą złożonego systemu rur pozwoli na wykrycie, przynajmniej jakościowe, gatunków obecnych w pióropuszu pary uwalnianym przez gorący materiał. Ponadto planowane jest zastosowanie kamery termowizyjnej do dwuwymiarowych badań rozkładu temperatury na powierzchni gorącej próbki, aby wykryć ewentualne niejednorodności i efekty segregacji. Wreszcie przewidziano ulepszenia w systemie bezpieczeństwa zbudowanym wokół obecnego wyposażenia. W rzeczywistości stosowana tutaj pleksiglasowa komora rękawicowa nadaje się do badania materiałów silnie radioaktywnych, takich jak uran i pierwiastki transuranowe, dzięki temu, że skutecznie blokuje promieniowanie α. Jednakże osłona ta nie jest wystarczająco bezpieczna do badania silnych emiterów γ, takich jak nuklidy zawarte w rzeczywistym napromieniowanym paliwie jądrowym. Do badań zużytego paliwa jądrowego pochodzącego z rzeczywistych elektrowni jądrowych planowane jest nowe urządzenie obejmujące celę z ołowianymi ścianami.

Choć rozszczepienie jądrowe jest powszechnie przedstawiane jako obiecujące, wielkoskalowe i praktycznie niewyczerpalne źródło energii, jego pełna akceptacja społeczna jest wciąż wstrzymywana przez pewne ryzyka związane z bezpieczeństwem, ochroną i zabezpieczeniami. Podejście eksperymentalne zaprezentowane w niniejszej pracy ma na celu udzielenie odpowiedzi na niektóre fundamentalne pytania z zakresu inżynierii materiałowej dotyczące jednego z tych ryzyk, jakim jest wystąpienie poważnych awarii (SAs) prowadzących do stopienia rdzenia w elektrowni jądrowej (NPP). Może to skutkować możliwym uwolnieniem materiałów silnie radioaktywnych do środowiska, co niesie ze sobą poważne konsekwencje zarówno dla zdrowia ludzi, jak i gospodarki kraju. Główne awarie SAs tego typu wystąpiły trzykrotnie w elektrowniach jądrowych: na Three Mile Island (USA, 1979), w Czarnobylu (dawny ZSRR, 1986) oraz w Fukushimie (Japonia, 2011). W związku z tym awarie SAs w elektrowniach jądrowych są przedmiotem intensywnych badań w kilku ośrodkach na świecie, obejmujących wiele wymagających zjawisk, które są dodatkowo skomplikowane przez bardzo wysokie temperatury (często przekraczające 3,000 K) oraz obecność materiałów radioaktywnych.
W tym scenariuszu niedawna dyrektywa Rady Europejskiej1 wymaga od krajów UE nadania najwyższego priorytetu bezpieczeństwu jądrowemu na wszystkich etapach cyklu życia elektrowni jądrowej. Obejmuje to przeprowadzanie ocen bezpieczeństwa przed budową nowych elektrowni jądrowych, a także zapewnienie znaczących usprawnień w zakresie bezpieczeństwa w przypadku starych reaktorów.
W tym kontekście w Instytucie Pierwiastków Transuranowych Wspólnego Centrum Badawczego Komisji Europejskiej wdrożono instalację do spektropirometrii radiacyjnej z szybkim pomiarem, laserowym ogrzewaniem i kontrolowaną atmosferą2,3,4, służącą do laboratoryjnej symulacji w małej skali stopienia rdzenia elektrowni jądrowej. Ze względu na ograniczony rozmiar próbek (zazwyczaj w skali cm i 0,1 g) oraz wysoką wydajność i zdalny charakter ogrzewania laserowego, podejście to umożliwia szybkie i skuteczne pomiary w wysokich temperaturach na rzeczywistych materiałach jądrowych, w tym na próbkach paliwa rozszczepialnego zawierającego pluton i aktynoidy mniejszościowe. W tym względzie, a także ze względu na zdolność do generowania dużej ilości danych dotyczących materiałów w ekstremalnych warunkach, obecna metoda eksperymentalna jest uznawana na całym świecie za unikalną. W rzeczywistości wykazano, że inne komplementarne techniki badawcze oparte na ogrzewaniu indukcyjnym są obarczone ryzykiem szybkich oddziaływań w wysokich temperaturach między materiałem próbki a pojemnikiem5. Ponadto, o ile techniki te pozwalają i w większości wymagają większych ilości materiału do analizy, są one mniej odpowiednie niż niniejsza metoda do badania rzeczywistych materiałów jądrowych ze względu na wysoką radioaktywność i ograniczoną dostępność próbek.
W obecnych eksperymentach (przedstawionych schematycznie na Rysunku 1) próbka umieszczona w autoklawie z kontrolowaną atmosferą, znajdującym się w komorze rękawicowej z osłoną α, jest podgrzewana za pomocą lasera Nd:YAG CW o mocy 4,5 kW.
<img alt="Układ komory rękawicowej wysokiego ciśnienia do grzania laserowego; schemat procesu pyrometrii z analizą widmową." src="/files/ftp_upload/54807/54807fig1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1: Układ eksperymentalny do grzania laserowego i spektropirometrii radiacyjnej. 
Próbka jest mocowana grafitowymi (lub wolframowymi bądź molibdenowymi) śrubami w szczelnym naczyniu w kontrolowanej atmosferze. Zdjęcie w lewym dolnym rogu przedstawia przykładowo dysk PuO2 zamocowany grafitowymi śrubami. Jeśli próbka jest radioaktywna, naczynie powinno zostać zamontowane wewnątrz szczelnej dla cząstek alfa komory rękawicowej. Próbkę ogrzewa laser Nd:YAG o mocy 4,5 kW przy długości fali 1 064 nm. Szybki pyrometr dwukanałowy służy do rejestracji temperatury próbki oraz sygnału odbitego od lasera Ar+ o mniejszej mocy. Wolniejszy wielokanałowy spektropirometr jest wykorzystywany do analizy in situ właściwości optycznych gorącej próbki. <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
Pirometry radiacyjne mierzą promieniowanie próbki Lex. Jest to gęstość mocy promieniowania elektromagnetycznego na jednostkę powierzchni, długość fali i kąt bryłowy emitowana przez próbkę w danej temperaturze6. Jest ona powiązana z temperaturą powierzchni próbki T za pomocą zmodyfikowanej funkcji Plancka:

<img alt="Równanie promieniowania ciała doskonałego; wzór na określenie strumienia promieniowania spektralnego; analiza równania fizycznego." src="/files/ftp_upload/54807/54807equation1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie 1">
gdzie Lλ to moc promieniowania, ελ to emisyjność spektralna, c1 = 2·h·c02 to pierwsza stała promieniowania, c2 = h·c0/kB = 14,388 µm·K to druga stała promieniowania, c0 to prędkość światła w próżni, h to stała Plancka, a kB stała Boltzmanna. Emisyjność spektralna uwzględnia fakt, że ciało rzeczywiste będzie emitować, przy danej długości fali i temperaturze, jedynie ułamek mocy emitowanej przez idealną ciało czarne w tej samej temperaturze. W związku z tym przyjmuje ona wartości od 0 do 1, gdzie 1 odpowiada przypadkowi idealnego ciała czarnego, dla którego wyprowadzono prawo Plancka. Ponieważ pirometry w niniejszej pracy były zawsze ustawione niemal prostopadle do powierzchni próbki, nie uwzględniono zależności ελ od kąta, a termin „emisyjność” będzie zawsze odnosić się do normalnej emisyjności spektralnej (NSE). NSE musi zostać wyznaczona, aby za pomocą równania 1 i procedury kalibracji pirometru przekształcić Lex w temperaturę bezwzględną T.
Temperaturę próbki wykrywa się za pomocą szybkiego pyrometru skalibrowanego względem lamp wzorcowych do 2 500 K przy λ = 655 nm. Do badania emisyjności spektralnej (NSE) (ελ) próbki wykorzystano dodatkowo 256-kanałowy spektropyrometr promieniowania pracujący w zakresie od 515 nm do 980 nm. Wyznaczenie NSE jest możliwe poprzez przeprowadzenie nieliniowego dopasowania widma emisji termicznej do równania 12, 3, gdzie T oraz ελ są jedynymi dwoma parametrami wolnymi. Wykazano, że podejście to jest akceptowalnie dokładne w przypadku materiałów ogniotrwałych7, takich jak te zazwyczaj występujące w NPP, dla których można przyjąć, że NSE jest niezależne od długości fali (hipoteza ciała szarego) w szerokim zakresie spektralnym. Po prawidłowym pomiarze temperatury próbki podgrzewanej laserem w funkcji czasu, można przeprowadzić analizę termiczną wynikowej krzywej temperatura-czas (termogramu). Punkty przegięcia lub zatrzymania termiczne na termogramach dostarczają informacji związanych z przemianami fazowymi (solidus, liquidus oraz izotermicznymi przemianami fazowymi). Ponadto, poza koniecznością wyznaczenia NSE, bezpośrednia analiza spektralna promieniowania Lex emitowanego przez gorącą próbkę pozwala również na badanie in situ niektórych właściwości optycznych badanej powierzchni. Stanowi to kolejne narzędzie wspierające identyfikację zjawisk wysokotemperaturowych, takich jak przemiany fazowe, reakcje chemiczne między materiałami skondensowanymi a fazą gazową czy efekty segregacji. Do potwierdzenia przemian fazowych stosuje się dodatkową technikę zwaną analizą sygnału światła odbitego (RLS)2, 3. Jest ona przeprowadzana przy użyciu drugiego kanału pyrometru nastrojonego na laser Ar+ o niskiej mocy (1 W) (λ = 488 nm). Kanał ten wykrywa wiązkę lasera pochodzącą z wnęki Ar+ i odbitą od powierzchni próbki. Stały sygnał RLS wskazuje na powierzchnię stałą, natomiast po stopieniu pojawiają się losowe oscylacje wynikające z wibracji indukowanych przez napięcie powierzchniowe na powierzchni ciekłej próbki.
Ogólnie rzecz biorąc, reaktory chłodzone wodą z elementami paliwa stałego, które stanowią obecnie najpowszechniejszy typ elektrowni jądrowych (EJ), posiadają cztery następujące po sobie bariery zapewniające szczelność materiałów promieniotwórczych8. Pierwszą barierą jest sama pastylka paliwowa, która dzięki swojej strukturze krystalicznej oraz porowatości mikro- i makroskopowej jest w stanie zatrzymać stałe produkty rozszczepienia oraz część produktów lotnych. Zazwyczaj cały element paliwowy umieszcza się w metalowej osłonie (z Zircaloyu lub stali), która pełni funkcję drugiego stopnia ochrony. W przypadku uszkodzenia osłony, trzecią barierą jest cała wewnętrzna obudowa EJ, zazwyczaj ograniczona stalową ścianą o grubości kilku cm (układ pierwotny). Ostatnią barierą bezpieczeństwa przed przedostaniem się substancji do środowiska jest budynek obudowy bezpieczeństwa (beton o grubości wielu metrów).
W przypadku awarii systemu chłodzenia wodą w elektrowni jądrowej może dojść do poważnego wypadku (SA), prowadzącego do przegrzania i stopienia rdzenia. Początkowo przegrzanie jest wynikiem ciepła rozszczepienia. Jednak w obliczu braku chłodzenia, przegrzewanie może trwać długo po przerwaniu reakcji łańcuchowych, ze względu na ciepło rozpadu produktów rozszczepienia oraz innych wysoce radioaktywnych izotopów zawartych w szczątkach rdzenia reaktora. Co do zasady, topnienie rdzenia rozpoczyna się w centralnej części elementu paliwowego, chyba że na styku paliwa i osłony utworzą się związki o niższej temperaturze topnienia (prawdopodobnie eutektyki). Pierwszym celem niniejszych badań jest ustalenie, czy takie związki o niższej temperaturze topnienia mogą powstawać w rzeczywistych układach paliwo-osłona, a w takim przypadku, jakie byłoby wynikające z tego obniżenie temperatury topnienia. Aby odpowiedzieć na to pytanie, należy w pierwszej kolejności rzetelnie ocenić zachowanie podczas topnienia czystych i mieszanych związków paliwowych, co stanowi zatem jeszcze ważniejszy cel obecnego podejścia. Jeśli paliwo i osłona stopią się razem, ciekła masa szybko spłynie na dno zbiornika pierwotnego i zacznie reagować ze stalową ścianą oraz z pozostałą wodą i parą, jeśli takie będą obecne. Na tym etapie stal może również stopić się wraz z gorącą mieszaniną paliwa i osłony. Powstała ciecz o charakterze lawy nazywana jest „korium”. Ta gorąca, wysoce radioaktywna mieszanina może przeniknąć poza obudowę pierwotną, jeśli stalowa ściana zostanie przetopiona, i ostatecznie zareagować nawet z betonem stanowiącym najbardziej zewnętrzną barierę. Podwyższona temperatura i wysoka reaktywność składników obecnych w korium mogą prowadzić do dysocjacji wody i produkcji wodoru. Może to skutkować dodatkowym ryzykiem eksplozji pary i wodoru (por. wypadki w Three Mile Island i Fukushimie), silnym utlenianiem lub (rzadziej) hydratacją masy korium oraz materiałów konstrukcyjnych elektrowni jądrowej. Przedstawiona metoda eksperymentalna pozwala na wyodrębnienie i analizę doświadczalną kilku z wielu złożonych mechanizmów fizykochemicznych związanych z opisanym ciągiem zdarzeń. Poza wspomnianą analizą topnienia czystych składników i oddziaływaniem paliwa z osłoną, w uproszczonych układach można badać kilka mechanizmów oddziaływań wysokotemperaturowych, np. pomiędzy paliwem zawierającym Pu a stalą, pomiędzy paliwem a betonem itd. Proces tworzenia korium może być potencjalnie badany w obecności różnych atmosfer (gaz obojętny, powietrze, śladowe ilości wodoru lub pary), co dostarcza ważnych danych referencyjnych dla kompleksowego zrozumienia poważnych wypadków jądrowych.
Niniejsze podejście, szczególnie odpowiednie do laboratoryjnych badań materiałów wysokotopliwych, zostało również z sukcesem zastosowane do analizy innych, bardziej innowacyjnych rodzajów paliw jądrowych (opartych na przykład na węglikach lub azotkach uranu) oraz innych związków trudnotopliwych, takich jak węgliki cyrkonu9, tantalu i hafnu, superstopów metali, tlenku wapnia10 itd.

<table><tbody><tr><td>Dwukanałowy szybki pirometr</td><td>Zmontowany</td><td></td> prywatnie <td>Szybki pirometr. Detektory fotodiodowe o długości fali 650 nm i 488 nm, wyposażone w obiektyw skupiający i szybki wzmacniacz logarytmiczny.</td></tr><tr><td>Laser TRUMPF HLD4506, TRUMPF,&nbsp;</td><td>TRUMPF Schramberg, Niemcy</td><td>HLD4506</td><td>Czynnik grzewczy</td></tr><tr><td>Spektrometr CDI</td><td>Karta spektrografu optycznego CDI, 256 kanałów</td><td>Matryca spektrometru pirometrycznego o wielu długościach fal</td><td></td></tr><tr><td>Laser Ar+</td><td>Technologia lasera jonowego</td><td>5500A-00</td><td>0,75 W Oscyloskop laserowy RLS</td></tr><tr><td>NICOLET</td><td>NICOLET, Madison, Wi, USA</td><td>Pro 44C Transient Digitizer</td><td>AD konwerter, system</td></tr> <tr><td>akwizycji danychSETNAG Analizator tlenu</td><td>SETNAG, Marsylia, Francja</td> Cela elektrochemiczna <td>JC24V-M</td><td>ZrO2 do analizy tlenu w autoklawie</td></tr><tr><td>Źródło ciała doskonale czarnego</td><td>POLYTECH CI Waldbronn, Niemcy</td><td>Dostosowane</td><td>źródło ciała doskonale czarnego do kalibracji spektropirometru</td></tr><tr><td>Standardowe lampy</td><td>kalibracyjne POLARON, Watford, Wielka Brytania</td><td>P.224c i P213c</td><td>Lampy do kalibracji pirometru i spektrometru</td></tr></tbody></table>

laserowa spektrometria nagrzewania i promieniowania do badania materiałów jądrowych w warunkach symulujących awarię elektrowni jądrowej

Laser-heating and Radiance Spectrometry for the Study of Nuclear Materials in Conditions Simulating a Nuclear Power Plant Accident

Poważne i poważne awarie miały miejsce trzy razy w elektrowniach jądrowych (NPP), w Three Mile Island (USA, 1979), Czarnobylu (były ZSRR, 1986) i Fukushimie (Japonia, 2011). Badania nad przyczynami, dynamiką i konsekwencjami tych nieszczęśliwych wypadków przeprowadzono w kilku laboratoriach na całym świecie w ciągu ostatnich trzech dekad. Wspólnymi celami takich działań badawczych są: zapobieganie tego rodzaju awariom, zarówno w istniejących, jak i potencjalnych nowych elektrowniach jądrowych; minimalizacja ich ewentualnych konsekwencji; i ostatecznie pełne zrozumienie rzeczywistych zagrożeń związanych z elektrowniami jądrowymi. W Instytucie Pierwiastków Transuranowych Wspólnego Centrum Badawczego Komisji Europejskiej urządzenie do ogrzewania laserowego i spektropirometrii promieniowania prędkiego jest wykorzystywane do symulacji laboratoryjnej, na małą skalę, stopienia rdzenia elektrowni jądrowej, najczęstszego rodzaju poważnej awarii (SA), która może wystąpić w reaktorze jądrowym w wyniku awarii systemu chłodzenia. To narzędzie symulacyjne umożliwia szybkie i skuteczne pomiary w wysokiej temperaturze rzeczywistych materiałów jądrowych, takich jak pluton i próbki paliwa rozszczepiającego zawierające drobne aktynowce. Pod tym względem, a także ze względu na zdolność do generowania dużej ilości danych dotyczących materiałów w ekstremalnych warunkach, obecne podejście eksperymentalne jest z pewnością wyjątkowe. Dla obecnych i przyszłych koncepcji elektrowni jądrowej przedstawiono przykładowe wyniki dotyczące topnienia niektórych różnych rodzajów paliw jądrowych: tlenków uranu i plutonu, węglików i azotków. Pokrótce przedstawiono również wyniki dotyczące wysokotemperaturowego oddziaływania paliw tlenkowych z materiałami zabezpieczającymi.

Rysunek 3 przedstawia rzeczywiste termogramy temperatury zmierzone dla dwutlenku uranu o różnych stopniach utlenienia (UO2+x z 0 &lt; x &lt; 0,21)2. Dwutlenek uranu jest podstawowym składnikiem najpowszechniejszego paliwa stosowanego w obecnych elektrowniach jądrowych. Jego utlenianie do różnych poziomów nadstechiometrii tlenu może zachodzić w normalnych i nienormalnych warunkach pracy reaktora12. Przy zastosowaniu obecnej metody wykazano, że utlenianie UO2 może prowadzić do gwałtownego obniżenia punktu topnienia/krystalizacji nawet o 700 K. W tym przypadku eksperymenty musiały być przeprowadzone pod dość wysokim ciśnieniem gazu obojętnego (He przy 10 MPa), aby zapobiec silnemu parowaniu niekongruentnemu w wysokich temperaturach.
<img alt="Równowaga statyczna, wykres przedstawiający temperaturę w funkcji czasu dla analizy mocy lasera w izotopach UO2." src="/files/ftp_upload/54807/54807fig3.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3: Termogramy zmierzone na stechiometrycznych i hiperstechiometrycznych próbkach dwutlenku uranu podgrzewanych laserowo (po 2). 
Na wykresie przedstawiono przykład profilu laserowego z podwójnym impulsem. Termogramy zarejestrowano dla kilku składów UO2+x. Przerwy w krzepnięciu występują w znacząco różnych temperaturach i wykazują różne cechy w zależności od składu próbki, co ujawnia ewolucję temperatury topnienia/zamrażania oraz dynamikę krzepnięcia w układzie U-O. <a href="https://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
Rysunek 4 przedstawia termogramy zarejestrowane pirometrem (linia prosta) i spektropirometrem dla próbki dwutlenku plutonu podgrzewanej laserowo w atmosferze utleniającej (sprężone powietrze pod ciśnieniem 0.3 MPa). PuO2 jest istotnym składnikiem paliwa jądrowego. Na tym samym rysunku, w insertach, przedstawiono również dwa widma promieniowania zmierzone spektropirometrem w różnych temperaturach, wraz z krzywymi dopasowanymi do danych eksperymentalnych oraz odpowiadającymi im wartościami T i ελ. Dzięki niniejszemu badaniu temperaturę topnienia/krzepnięcia PuO2 ponownie określono na 3,017 K ± 28 K, co jest wartością o ponad 300 K wyższą niż wskazywały wcześniej bardziej tradycyjne metody grzania. Wyniki tych metod były z pewnością obarczone wpływem rozległych oddziaływań wysokotemperaturowych między próbką a pojemnikiem, co zostało w dużej mierze wyeliminowane dzięki zastosowanemu tutaj podejściu z grzaniem zdalnym.
<img alt="Wykres temperatury w funkcji czasu pokazujący szybkości chłodzenia, przejścia ciecz/ciało stałe; zawiera dane widmowe." src="/files/ftp_upload/54807/54807fig4.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4: Termogramy zmierzone na próbce dwutlenku plutonu podgrzanej laserowo powyżej punktu topnienia. 
Wykres główny: czarna ciągła linia i pełne czarne kółka reprezentują termogramy zarejestrowane na próbce PuO2 w atmosferze utleniającej odpowiednio przez szybki pyrometr oraz wielodługościowy spektropyrometr. Białe kółka reprezentują wartości emisyjności widmowej uzyskane poprzez dopasowanie eksperymentalnych danych o promieniowaniu do prawa Plancka12. Dwa wstawki pokazują przykładowe widma zarejestrowane (czarne kółka) i dopasowane (czerwone ciągłe linie) odpowiednio dla ciekłego i krzepnącego PuO2, przy założeniu ciała szarego. Na tych wykresach promieniowanie Lλ zostało znormalizowane względem pierwszej stałej promieniowania c1 dla uproszczenia. Główny termogram uzyskano przy zastosowaniu średniej stałej emisyjności wynoszącej 0,83. <a href="https://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej ryciny.</a>
Rysunek 5 przedstawia serię impulsów nagrzewania laserowego wykonanych na mieszaninie UO2 i ZrO2 w różnych atmosferach. Test ten jest reprezentatywny dla warunków, które mogą wystąpić w przypadku przypadkowego skoku temperatury w elektrowni jądrowej. Punkt topnienia/krystalizacji występuje w powtarzalnej temperaturze w kolejnych strzałach, jeśli eksperymenty są prowadzone w argonie. Z kolei temperatura topnienia/krystalizacji spada w miarę kolejnych strzałów laserowych, jeśli cykle nagrzewania laserowego są przeprowadzane w sprężonym powietrzu. Wskazuje to, że w tym drugim przypadku próbka ulega coraz silniejszemu utlenieniu podczas zabiegów nagrzewania laserowego. Ponadto, w przypadku mieszanych tlenków UO2- ZrO2, w warunkach hiperstechiometrii tlenu następuje obniżenie punktu topnienia.
<img alt="Wykres cyklicznego ogrzewania; moc lasera, temperatura w funkcji czasu; zachowanie materiału w atmosferze Ar i powietrza." src="/files/ftp_upload/54807/54807fig5.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rysunek 5"> 
Rysunek 5: Termogramy zmierzone dla próbek mieszanych UO2-ZrO2 w sprężonym argonie i powietrzu. 
Punkt topnienia/krystalizacji występuje w dobrze powtarzalnej temperaturze w kolejnych impulsach, jeżeli doświadczenia są przeprowadzane w argonie (czarne termogramy). Z drugiej strony, temperatura topnienia/krystalizacji spada w kolejnych impulsach lasera, jeśli cykle ogrzewania laserowego są wykonywane w sprężonym powietrzu (zielone termogramy). <a href="https://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig5large.jpg" target="_blank">Aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.</a>
Kolejny przykład dotyczy innego rodzaju materiału, dicarbidu uranu. Jest on rozważany jako potencjalny materiał dla alternacyjnej koncepcji paliwa jądrowego, mogącego pracować w wyższych temperaturach i znacznie redukującego ryzyko awarii w postaci stopienia rdzenia. Nowy skład zawierający duży nadmiar węgla (nominalnie UC2.8) został po raz pierwszy zbadany przy użyciu obecnego podejścia14. W tym przypadku temperatura eutektyczna UC2-C, ustalona na 27,37 K ± 20 K, została wykorzystana jako referencja promieniowania wraz z przejściem w stanie stałym z układu sześciennego na tetragonalny (α→β), ustaloną na 2,050 K ± 20 K. Zmierzono, że współczynnik NSE związku bogatszego w węgiel wzrasta do 0,7 przy 650 nm, podczas gdy wartość ελ = 0,53 ustalono dla czystego dicarbidu uranu na granicy obszaru eutektycznego. Wzrost ten przeanalizowano w kontekście rozwarstwienia nadmiaru węgla i wykorzystano go do wyznaczenia temperatury liquidus (3,220 ± 50 K dla UC2.8). Ze względu na szybką dyfuzję w stanie stałym, wspomaganą również przez przejście sześcienne-tetragonalne, po schłodzeniu do temperatury pokojowej nie zaobserwowano wyraźnych oznak lamelowej struktury eutektycznej. Skład powierzchni eutektycznej C/UC2-x mógł być jakościowo, lecz w sposób spójny, śledzony podczas procesu chłodzenia za pomocą zarejestrowanych widm promieniowania, jak pokazano na Rysunkach 6 a i b. Co ciekawe, obecna analiza NSE wykazała, że o ile w fazie ciekłej zewnętrzna powierzchnia cieczy składała się niemal w całości z dicarbidu uranu, o tyle podczas zamarzania gwałtownie wzbogaciła się w rozwarstwiony węgiel. Wydawało się, że rozwarstwiony węgiel szybko migruje w stronę wnętrza materiału podczas dalszego chłodzenia. Przy przejściu α→β dicarbid uranu ponownie pokrywa niemal całą powierzchnię zewnętrzną. Wszystkie te szczegóły dotyczące zachowania materiału w bardzo wysokich temperaturach są kluczowe dla analizy tego typu związków w przypadku niekontrolowanego wzrostu temperatury w rdzeniu reaktora. Zostały one wywnioskowane wyłącznie na podstawie analizy spektroskopii promieniowania, podczas gdy byłyby one niemal niedostępne dla jakiejkolwiek innej techniki badawczej.
<img alt="Analiza przejścia fazowego; wykres temperatury w funkcji czasu; wykres intensywności w funkcji długości fali; badanie materiału." src="/files/ftp_upload/54807/54807fig6.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rysunek 6"> 
Rysunek 6: Termogram i widma promieniowania zmierzone dla próbki UC2.8 w argonie pod ciśnieniem14. 
a) Etap chłodzenia termogramu zarejestrowanego dla próbki UC2.8. Pełne koła wskazują punkty czasowe, w których spektropirometr zarejestrował widma promieniowania. b) Cztery przykłady widm promieniowania zarejestrowanych w różnych temperaturach. Jedno z nich zostało zarejestrowane w ciekłym UC2.8, natomiast pozostałe trzy odpowiadają przerwom termicznym widocznym na Rysunku 5a. <a href="https://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig6large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>

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.

Laserowa spektrometria nagrzewania i promieniowania do badania materiałów jądrowych w warunkach symulujących awarię elektrowni jądrowej

Major and severe accidents have occurred three times in nuclear power plants (NPPs), at Three Mile Island (USA, 1979), Chernobyl (former USSR, 1986) and ...

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.

laser-heating-radiance-spectrometry-for-study-nuclear-materials

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Możliwości wykrywania LIBS na symulantach glebowych zostały przetestowane przy użyciu różnych energii impulsów i parametrów czasowych.  Krzywe kalibracyjne wykorzystano do wyznaczenia granic wykrywalności i czułości dla różnych parametrów.  Ogólnie rzecz biorąc, wyniki pokazały, że nie nastąpiło znaczące zmniejszenie możliwości wykrywania przy użyciu niższych energii impulsów i detekcji bez bramki.

Zależność wyników spektroskopii rozpadów indukowanych laserem od energii impulsów i parametrów czasowych z wykorzystaniem płynów modelowych gleby

Atomowe i dwuatomowe gatunki molekularne z rozdzielczością czasową są mierzone za pomocą LIBS. Widma są zbierane z różnymi opóźnieniami czasowymi po wytworzeniu plazmy rozpadu optycznego z promieniowaniem laserowym Nd:YAG i są analizowane w celu wywnioskowania gęstości elektronów i temperatury.

Pomiar i analiza widm wodoru atomowego i dwuatomowego molekularnego AlO,C2, CN i TiO po rozpadzie optycznym wywołanym laserem

Laserowa spektroskopia rozpadu przeprowadzona na cienkich narządach i tkankach nowotworowych skutecznie wykryła naturalne pierwiastki i sztucznie wstrzyknięty gadolin (Gd), emitowany z nanocząstek opartych na Gd. Obrazy pierwiastków chemicznych osiągnęły rozdzielczość 100 μm i czułość ilościową poniżej mM. Kompatybilność zestawu ze standardową mikroskopią optyczną podkreśla jego potencjał do dostarczania wielu obrazów tej samej tkanki biologicznej.

Spektroskopia rozpadu indukowanego laserem: nowe podejście do mapowania i kwantyfikacji nanocząstek w tkance narządowej

Opracowanie nowych materiałów ablacyjnych i ich modelowanie numeryczne wymaga szeroko zakrojonych badań eksperymentalnych. Protokół ten opisuje procedury charakterystyki odpowiedzi materiału w przepływach plazmy, przy czym podstawowe techniki są nieinwazyjnymi metodami śledzenia recesji materiału wraz z chemią w reaktywnej warstwie granicznej za pomocą spektroskopii emisyjnej.

Badanie warstwy granicznej metodą spektroskopowej emisji podczas badania materiału ablacyjnego w plazmatronie

Prezentujemy technikę analizy spektroskopowej Ramana wysoce radioaktywnych próbek, kompatybilną z dowolnym standardowym spektrometrem mikro-Ramanowskim, bez żadnego radioaktywnego zanieczyszczenia instrumentu. Pokazujemy również niektóre zastosowania z wykorzystaniem związków aktynowców i napromieniowanych materiałów opałowych.

Nowatorska technika analizy ramanowskiej wysoce radioaktywnych próbek przy użyciu dowolnego standardowego spektrometru mikroramanowskiego

Ten artykuł opisuje przepływowy reaktor mikrofalowy, który jest używany do napędzania efektywnej chemii nierównowagi w celu zastosowania konwersji/aktywacji stabilnych cząsteczek, takich jak CO2, N2 i CH4. Celem opisanej tutaj procedury jest pomiar temperatury i konwersji gazu in situ.

Nierównowagowa plazma mikrofalowa do wydajnej chemii wysokotemperaturowej

Celem tego protokołu jest opisanie, jak używać mikronapromieniowania laserowego do wywoływania różnych rodzajów uszkodzeń DNA, w tym stosunkowo prostych pęknięć nici i złożonych uszkodzeń, do badania sygnalizacji uszkodzeń DNA i montażu czynników naprawczych w miejscach uszkodzenia in vivo.

Mikronapromienianie laserowe do badania in vivo odpowiedzi komórkowych na proste i złożone uszkodzenia DNA

Konfokalna mikroskopia fluorescencyjna i mikropromieniowanie laserowe oferują narzędzia do indukowania uszkodzeń DNA i monitorowania odpowiedzi białek naprawy DNA w wybranych obszarach subjądrowych. Technika ta znacznie poszerzyła naszą wiedzę na temat wykrywania uszkodzeń, sygnalizacji i rekrutacji. Niniejszy manuskrypt demonstruje te technologie do badania naprawy pęknięć jedno- i dwuniciowych.

Zastosowanie mikronapromieniania laserowego do badania naprawy pęknięć jedno- i dwuniciowych w komórkach ssaków

Badanie kinetyki naprawy uszkodzeń DNA wymaga systemu do wywoływania uszkodzeń w określonych regionach subjądrowych. Opisujemy metodę tworzenia zlokalizowanych dwuniciowych pęknięć za pomocą laserowo-skaningowego mikroskopu konfokalnego wyposażonego w laser 405 nm i zapewniamy zautomatyzowane procedury ilościowego określania dynamiki czynników naprawczych w tych zmianach.

Badanie rekrutacji białek do zmian DNA za pomocą mikropromieniowania laserowego 405 nm

Podczas topienia indukcyjnego próżniowego, spektroskopia rozpadu indukowana laserem jest używana do przeprowadzania w czasie rzeczywistym analizy ilościowej głównych składników stopionego stopu.

Analiza ilościowa topnienia indukcyjnego w próżni za pomocą spektroskopii rozpadu indukowanego laserem

Poznaj metodę zdalnego podgrzewania laserowego do badania topnienia materiałów jądrowych w symulowanych warunkach awarii reaktora. Technika ta umożliwia bezpieczne eksperymenty z radioaktywnymi próbkami przy temperaturach powyżej 3000 K.

Laserowa spektrometria nagrzewania i promieniowania do badania materiałów jądrowych w warunkach symulujących awarię elektrowni jądrowej (Wideo) | JoVE Journal

Laserowa spektrometria nagrzewania i promieniowania do badania materiałów jądrowych w warunkach symulujących awarię elektrowni jądrowej

Przeglądaj więcej filmów