Nieuw op laser gebaseerd systeem kan continu stralingsschade aan materialen monitoren

• Een nieuw systeem op basis van transiënte roosterspectroscopie detecteert in realtime door straling veroorzaakte veranderingen in materialen.
• Vergeleken met bestaande technieken die een half jaar nodig hebben om een ​​bepaald materiaal volledig te karakteriseren, duurt het maar een dag.

Omgevingen met veel straling, zoals die in de kernen van kerncentrales, vereisen extreem hoogwaardige materialen. De microstructuur, en dus de prestaties, van deze materialen in kerncentrales veranderen drastisch in de loop van de jaren dat ze in bedrijf zijn.

De meeste materialen falen als gevolg van verhoogde precipitatie, volumetrische zwelling, oplossen van ballistische insluiting, door bestraling ondersteunde spanningscorrosie en verbeterde segregatie.

Bestaande methoden voor het testen van het vermogen van materiaal om dergelijke ruwe omgevingen te weerstaan, zijn niet erg effectief. Ze vertrouwen op de 'cook and look'-benadering, waarbij materialen worden blootgesteld aan omgevingen met veel straling en vervolgens worden verwijderd voor nauwkeurige inspectie. Het proces is echter zo tijdrovend dat het de ontwikkeling van geavanceerde materialen voor nieuwe reactoren vertraagt.

Om dit probleem op te lossen, heeft een onderzoeksteam van het MIT en Sandia National Laboratories een nieuw systeem gebouwd dat door straling veroorzaakte veranderingen effectief in realtime kan traceren en meer inzichten kan bieden dan conventionele technieken.

Aangezien tal van nucleaire installaties het einde van hun operationele levensduur naderen, zou de technologie kunnen helpen beslissen welke kerncentrales veilig met hoeveel kunnen worden verlengd.

De nieuwe manier om materialen te testen

Het nieuwe lasergebaseerde systeem is gebaseerd op transiënte roosterspectroscopie (TGS) - een optische techniek voor het meten van quasideeltjesvoortplanting. Het kan fysieke veranderingen in het materiaal detecteren, inclusief thermische diffusie en elasticiteit, zonder de eigenschappen te beschadigen of te veranderen.

Het team test deze methode nu ongeveer twee jaar. Nu is het systeem klaar om nauwkeurige gegevens te leveren die ingenieurs kunnen helpen begrijpen hoe materialen in reactorvaten na verloop van tijd degraderen.

Referentie:ScienceDirect | doi:10.1016/j.nimb.2018.10.025 | MIT

Dit is de eerste keer dat iemand TGS heeft gebruikt om schade door straling van dichtbij te observeren. Het kan detecteren of de eigenschappen van het materiaal zijn veranderd tijdens operationele jaren, zoals het vermogen om te reageren op spanningen of om warmte te geleiden.

Om stralingsomgevingen na te bootsen, simuleerden onderzoekers de effecten van neutronenbombardement met behulp van ionenstralen, die het materiaal op dezelfde manier beschadigen als echte reactoren, maar veiliger zijn om mee te werken en veel gemakkelijker te controleren. Ze gebruikten een ionenversneller van 6 megavolt om jarenlange blootstelling aan neutronen in uren te simuleren.

Het nieuwe systeem geïnstalleerd en getest bij Sandia National Labs | Afbeelding tegoed:Cody Dennett

De metingen worden gedaan door materiaaltrillingen te simuleren met een laserstraal en die trillingen vervolgens aan het oppervlak waar te nemen met een andere laser. Deze meting kan ook worden gebruikt om andere gerelateerde eigenschappen te bepalen, zoals opeenhoping van schade en defecten in een bepaald materiaal.

Omdat het systeem materialen in realtime monitort, is het mogelijk om het experiment op elk kritiek moment te stoppen en de schade(s) in detail te bestuderen. Dit stelt technici ook in staat om de mechanische redenen achter deze storingen te achterhalen.

De traditionele methoden hebben maanden nodig om de eerste factor te vinden die degradatie veroorzaakte. Het nieuwe systeem zou daarentegen in een paar uur hetzelfde kunnen doen. Volgens het rapport duurt de volledige karakterisering van een bepaald materiaal slechts één dag, terwijl bestaande technieken bijna een half jaar duren.

Wat nu?

Tot nu toe hebben de onderzoekers hun systeem getest op twee zuivere metalen:wolfraam en nikkel. De komende maanden gaan ze het gebruiken om andere metalen en verschillende soorten legeringen te testen.

Lezen:sterkste materiaal in het heelal ligt in de korst van neutronensterren

Het team werkt ook aan het verder verbeteren van de mogelijkheden van het systeem en het toevoegen van meer diagnostische hulpmiddelen voor het onderzoeken van meer eigenschappen van materialen die aan straling worden blootgesteld.