Aquecimento a laser e espectrometria de radiância para o estudo de materiais nucleares em condições que simulam um acidente em uma usina nuclear
14 de dezembro de 2017
Apresentamos as experiências em que combustível nuclear real, revestimento e materiais de contenção são laser aquecido a temperaturas além de 3.000 K, enquanto que seu comportamento é estudado por espectroscopia de esplendor e análise térmica. Estas experiências simulam, em uma escala de laboratório, a formação de uma lava-fase após um colapso de núcleo do reator nuclear.
O objetivo geral deste procedimento é simular os estágios iniciais de um acidente de fusão de núcleo em uma usina nuclear em escala de laboratório, permitindo o estudo do comportamento de fusão envolvido na formação de corium. Essa abordagem experimental ajuda a responder a questões-chave na pesquisa de acidentes em usinas nucleares. Por exemplo, pode-se determinar as temperaturas que, dependendo da atmosfera, podem levar à falha da estabilidade termomecânica de um núcleo.
A principal vantagem dessa técnica é que ela é realizada remotamente, permitindo o uso de materiais radioativos reais no experimento. Embora esse método possa fornecer informações sobre o comportamento de fusão dos materiais do núcleo do reator, ele também pode ser aplicado a outras cerâmicas refratárias, superligas de alta temperatura e revestimentos aeroespaciais. Este é um método único para estudar materiais em temperaturas extremamente altas por curtos períodos de tempo.
Portanto, é muito útil para estabelecer estados de referência de equilíbrio termodinâmico para o comportamento do material observado. Primeiro, calibre o pirômetro rápido de dois canais e o espectropirômetro usando lâmpadas padrão de referência. Determine as constantes de calibração.
Em um porta-luvas blindado com janelas de qualidade óptica, monte a amostra em um suporte com cola de zircônia de alta temperatura ou parafusos de grafite, molibdênio ou tungstênio. Colocar a amostra no suporte horizontalmente num reactor de autoclave de atmosfera controlada com janelas de qualidade óptica. Prenda a autoclave em uma placa óptica no porta-luvas.
Monte uma tela de grafite absorvente a laser atrás da autoclave. Para garantir a homogeneidade da temperatura, selecione as lentes da unidade de foco para produzir um ponto de laser pelo menos 10 vezes maior que o ponto de mira do pirômetro. Em seguida, acople a unidade de foco a um sistema de fibra óptica a laser de alta potência, tomando cuidado para não dobrar as linhas de fibra óptica.
Ligue o laser piloto vermelho de baixa potência e alinhe o feixe de forma que o ponto fique centralizado na amostra na autoclave. Em seguida, ligue o laser de íons de argônio. Alinhe o laser de forma que o ponto azul fique no centro do ponto vermelho do laser piloto na amostra.
O pirômetro de dois canais e o espectropirômetro são montados na mesa óptica de acordo com a amostra. Verifique se os objetivos estão corretamente focados na amostra. Em seguida, acenda uma fonte de luz acoplada a fibra na ocular do pirômetro de dois canais e verifique se um ponto de observação bem definido é projetado na superfície da amostra.
Ajuste o pirômetro para que o ponto de observação fique centralizado nos pontos de laser vermelho e azul. Alinhar o espectropirómetro utilizando a mesma técnica. Em seguida, verifique se há reflexos parasitas do laser piloto vermelho da superfície da amostra, do porta-luvas e das janelas da autoclave.
Coloque telas de grafite onde quer que ocorram reflexos de parasitas. Em seguida, evacue a autoclave e reabasteça-a com a atmosfera de reação cinco vezes. Em seguida, encha a autoclave com a atmosfera de reação até a pressão desejada.
Aguarde até que o potencial de oxigênio se estabilize antes de prosseguir com o experimento. Conecte os pirômetros e o potenciômetro a laser de alta potência a um osciloscópio que atua como um conversor analógico/digital. Conecte o osciloscópio a um computador.
No software do osciloscópio, defina os parâmetros nos gatilhos de aquisição de dados. Preencha as constantes de calibração do pirômetro e do espectropirômetro. No software de laser de alta potência, crie um novo programa de aquecimento.
Se o ponto de fusão da amostra for superior a 2.500 kelvin, inicie o programa com um estágio de pré-aquecimento para um nível de potência adequado. Em seguida, defina ciclos de três a quatro disparos rápidos de laser para aquecer a amostra bem acima de sua temperatura de fusão. A amostra deve permanecer acima da temperatura ambiente durante um ciclo.
Crie ciclos adicionais com intensidade e duração de pulso de laser variáveis. Em seguida, a partir de uma sala de controle adequadamente blindada, teste o programa de aquecimento a laser e os gatilhos de aquisição de dados disparando em um absorvedor de grafite resfriado a água. Certifique-se de que o sistema de gatilho funcione corretamente e que os dados sejam adquiridos.
Quando o sistema estiver pronto, remova a blindagem de grafite alterando o caminho do laser do absorvedor para a amostra. Desative o laser piloto vermelho e ative o laser de alta potência. Inicie o programa de aquecimento.
Após o pré-aquecimento stage no ciclo de aquecimento/resfriamento, pause o programa e verifique a aparência da amostra. Verifique se os termogramas experimentais indicam fusão e solidificação bem-sucedidas da amostra. Se a amostra estiver intacta, execute vários outros ciclos de aquecimento/resfriamento, verificando a amostra após cada ciclo.
Continue este processo até que a amostra seja derretida ou quebrada. Quando o experimento terminar, desligue o laser de alta potência, ventile a autoclave e deixe-a estabilizar à pressão atmosférica. Transfira a amostra e os fragmentos da amostra da autoclave para um recipiente blindado para caracterização posterior.
Use etanol e lenços umedecidos de laboratório para limpar o interior e as janelas da autoclave. O comportamento de fusão e solidificação do dióxido de urânio foi avaliado em atmosferas com teores crescentes de oxigênio. Os termogramas de temperatura real mostraram que o aumento dos níveis de oxidação do dióxido de urânio resultou em reduções do ponto de solidificação de fusão de até 700 kelvin.
A temperatura de fusão / congelamento do dióxido de plutônio foi reavaliada e considerada mais de 300 kelvin mais alta do que o relatado anteriormente. Isso foi atribuído ao método de aquecimento remoto evitando as interações de alta temperatura, entre a amostra e seu recipiente, que afetariam os processos de aquecimento convencionais. Amostras mistas de dióxido de urânio-dióxido de zircônio foram estudadas em argônio e ar comprimido.
Na atmosfera de argônio, as temperaturas de fusão e solidificação da amostra permaneceram aproximadamente as mesmas em sucessivos ciclos de aquecimento e resfriamento. No ar comprimido, as temperaturas de fusão e solidificação diminuíram ao longo de ciclos sucessivos, sugerindo oxidação da amostra. A análise de emissividade espectral normal do dicarboneto de urânio rico em carbono indicou que a superfície foi rapidamente enriquecida por carbono desmisturado durante o resfriamento, mas o carbono desmisturado migrou quase completamente para longe da superfície da amostra na temperatura de transição de fase alfa-beta.
Uma vez estabelecidas as condições experimentais ideais para um determinado tipo de material, vários ciclos térmicos podem ser realizados em diferentes amostras. Esta é uma grande quantidade de pontos de dados experimentais, úteis para análise estatística. Ao tentar este procedimento, é importante otimizar os parâmetros experimentais, como a atmosfera dentro do vaso e a potência do laser por um método de tentativa e erro para cada material investigado.
Outras técnicas podem ser realizadas seguindo este procedimento, como a termografia, para medir a distribuição real da temperatura nas bordas da amostra, ou como a espectrometria ultravioleta, para determinar o comportamento da emissividade espectral em altas temperaturas. Não se esqueça de que trabalhar com lasers de alta potência envolve riscos que precisam ser avaliados por profissionais treinados. Precauções como usar óculos de segurança e usar proteção a laser apropriada devem sempre ser tomadas durante a execução deste procedimento.
Embora existam outras abordagens para o estudo de informações essenciais, apenas esta permite uma investigação de materiais contendo plutônio e outros elementos transurânicos. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter alguma compreensão de como se pode estudar e simular em escala de laboratório, mas em materiais nucleares reais, a formação de corium em um acidente de fusão do núcleo de uma usina nuclear. Esteja ciente de que os materiais para liderar este trabalho de pesquisa são altamente radioativos.
Esse tipo de atividade deve sempre ser realizado em conformidade com as leis locais de radioproteção e sob a supervisão de funcionários autorizados.
Visão Geral
Este estudo apresenta uma simulação em escala laboratorial dos estágios iniciais de um derretimento do núcleo de um reator nuclear, com foco no comportamento de fusão dos materiais do reator. Ao utilizar técnicas de aquecimento a laser, os experimentos investigam a formação de corium e a estabilidade termomecânica dos materiais do núcleo.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Engenharia nuclear
- Ciência dos materiais
- Análise térmica
Contexto
- Compreender o comportamento da fusão do núcleo é essencial para a segurança nuclear.
- Materiais nucleares reais são utilizados para simular condições de alta temperatura.
- O estudo tem como objetivo fornecer informações sobre o comportamento dos materiais em condições extremas.
- Técnicas de aquecimento remoto permitem a realização segura de experimentos com materiais radioativos.
Objetivo do Estudo
- Simular o comportamento de fusão de materiais de reatores nucleares.
- Determinar os limiares de temperatura para falha na estabilidade do núcleo.
- Estabelecer estados de referência de equilíbrio termodinâmico para os comportamentos observados.
Métodos Utilizados
- Calibração de pirômetros para medição precisa de temperatura.
- Uso de autoclave com atmosfera controlada para aquecimento de amostras.
- Aquecimento a laser remoto para atingir temperaturas acima de 3.000 K.
- Aquisição de dados por meio de conexões com osciloscópio para monitoramento em tempo real.
Resultados Principais
- O comportamento de fusão do dióxido de urânio apresentou variações significativas de temperatura com base nos níveis de oxidação.
- O ponto de fusão do dióxido de plutônio foi reavaliado e mostrou-se mais alto do que o anteriormente relatado.
- Efeitos de oxidação foram observados em amostras mistas de dióxido de urânio e dióxido de zircônio.
- O dicarboneto de urânio rico em carbono exibiu enriquecimento superficial rápido durante o resfriamento.
Conclusões
- O método de aquecimento remoto fornece informações valiosas sobre o comportamento do material em altas temperaturas.
- Os resultados contribuem para a compreensão da segurança de reatores nucleares e da estabilidade dos materiais.
- Aplicações futuras podem estender-se a outros materiais de alta temperatura além dos contextos nucleares.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Este método permite a caracterização de materiais em alta temperatura sob condições simuladas de acidente grave, apoiando a modelagem preditiva do comportamento do combustível nuclear. Ao fornecer estados termodinâmicos de referência para combustíveis reais contendo actinídios, auxilia na redução de riscos nas avaliações de segurança para projetos de reatores de próxima geração. A capacidade de manipulação remota permite o estudo seguro de materiais radioativos, gerando dados essenciais para a compreensão mecanicista da formação de corium e dos cenários de interação entre combustível e revestimento.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite investigar a estabilidade termodinâmica e os limiares de transição de fase em materiais de alto ponto de fusão.
- Valor Operacional: Oferece testes remotos em ambientes controlados de substâncias perigosas sem contato direto.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Valor Científico: Gera dados quantitativos de ponto de fusão/solidificação sob diferentes condições atmosféricas para análise comparativa.
- Valor Operacional: Apoia protocolos padronizados e repetíveis de ciclagem térmica para triagem de materiais em condições extremas.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Oferece insights mecanicistas sobre a depressão do ponto de fusão impulsionada pela oxidação, relevante para a estabilidade de materiais em ambientes reativos.
- Valor Operacional: Permite a geração de grandes conjuntos de dados a partir de múltiplos ciclos térmicos para validação estatística do comportamento do material.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
Essa técnica se insere no continuum de descoberta ao fornecer dados iniciais sobre propriedades térmicas que orientam a modelagem de segurança e a seleção de materiais para aplicações em altas temperaturas.
- Biologia da Descoberta: Apoia testes de hipóteses sobre estabilidade de fases e vias de decomposição de compostos refratários sob calor extremo.
- Triagem: Fornece leituras quantitativas e reprodutíveis de temperatura que permitem comparar o desempenho de materiais em diferentes atmosferas.
- Análise: Gera termogramas em tempo real e dados de emissividade espectral, possibilitando a análise estatística do comportamento de fusão.
- Pesquisa Translacional: Conecta dados térmicos fundamentais a modelos preditivos de desempenho de materiais em cenários simulados de acidentes.
- Reutilização Empresarial: Estabelece uma plataforma reutilizável para caracterização em alta temperatura de materiais contendo actinídios e materiais refratários ao longo de múltiplos ciclos de investigação.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Confiança preditiva no comportamento de materiais por meio da medição direta dos pontos de fusão e dos efeitos da oxidação em condições controladas.
- Valor Operacional: Operação padronizada e remota com monitoramento em tempo real garante reprodutibilidade e segurança no manuseio de substâncias perigosas.
- Valor Estratégico: Subsidia decisões ajustadas ao risco sobre a adequação de materiais para revestimento de combustível e contenção, revelando os limites de falha.
- Impacto no Portfólio: Permite a priorização baseada em dados de formulações de combustível com base na estabilidade térmica e na resistência à degradação em ambientes oxidantes.
Considerações sobre a Implementação
- É necessária experiência em segurança com laser, manipulação de radiação e pirometria em altas temperaturas.
- A instrumentação inclui lasers de alta potência, pirometros de duplo canal, espectro-pirometros e autoclaves com atmosfera controlada e acesso óptico.
- A padronização entre equipes depende da calibração consistente dos sensores ópticos e dos controles ambientais (por exemplo, potencial de oxigênio, pressão).
- A adaptação a outros sistemas de materiais exige a otimização da potência do laser, da duração do pulso e das condições atmosféricas com base no ponto de fusão e na reatividade.
- As limitações práticas incluem a necessidade de blindagem contra radiação, tamanho restrito de amostra devido às limitações do autoclave e possível contaminação superficial por interações com o cadinho, se não forem adequadamente mitigadas.
