Om het vermogen van een materiaal om de omgeving met hoge straling in een kernreactor te weerstaan ​​te evalueren, onderzoekers hebben traditioneel een methode gebruikt die bekend staat als "koken en kijken, " wat betekent dat het materiaal wordt blootgesteld aan hoge straling en vervolgens wordt verwijderd voor lichamelijk onderzoek. Maar dat proces is zo traag dat het de ontwikkeling van nieuwe materialen voor toekomstige reactoren belemmert.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT en Sandia National Laboratories hebben ontwikkeld, getest, en een nieuw systeem ter beschikking gesteld dat door straling veroorzaakte veranderingen continu kan volgen, het verstrekken van meer bruikbare gegevens veel sneller dan traditionele methoden.

Nu veel kerncentrales het einde van hun operationele levensduur naderen onder de huidige regelgeving, het kennen van de toestand van materialen erin kan van cruciaal belang zijn om te begrijpen of hun werking veilig kan worden verlengd, en zo ja met hoeveel.

Het nieuwe op laser gebaseerde systeem kan worden gebruikt om veranderingen in de fysieke eigenschappen van de materialen waar te nemen, zoals hun elasticiteit en thermische diffusie, zonder ze te vernietigen of te veranderen, zeggen de onderzoekers. De bevindingen worden beschreven in het tijdschrift Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B in een paper van MIT-promovendus Cody A. Dennett, hoogleraar nucleaire wetenschappen en techniek Michael P. Short, en technoloog Daniel L. Buller en wetenschapper Khalid Hattar uit Sandia.

Het nieuwe systeem, gebaseerd op een technologie die transiënte roosterspectroscopie wordt genoemd, gebruikt laserstralen om minuscule veranderingen aan het oppervlak van een materiaal te onderzoeken die details kunnen onthullen over veranderingen in de structuur van het interieur van het materiaal. Twee jaar geleden, Dennett en Short pasten de benadering aan om stralingseffecten te monitoren. Nutsvoorzieningen, na uitgebreide testen, het systeem is klaar voor gebruik door onderzoekers die de ontwikkeling van nieuwe materialen voor reactoren van de volgende generatie onderzoeken, of degenen die de levensduur van bestaande reactoren willen verlengen door beter te begrijpen hoe materialen in de loop van de tijd degraderen onder de ruwe stralingsomgeving in reactorvaten.

De oude manier om materialen te testen op hun reactie op straling was om het materiaal enige tijd bloot te stellen, haal het er dan uit en sla het aan stukken om te zien wat er is gebeurd, " legt Dennett uit. In plaats daarvan, "we wilden kijken of je kon detecteren wat er tijdens het proces met het materiaal gebeurt, en afleiden hoe de microstructuur verandert."

De transiënte roosterspectroscopiemethode was al door anderen ontwikkeld, maar het was niet gebruikt om te zoeken naar de effecten van stralingsschade, zoals veranderingen in het vermogen van het materiaal om warmte te geleiden en te reageren op spanningen zonder te barsten. Het aanpassen van de techniek aan de unieke en ruwe omgevingen van straling vergde jaren van ontwikkeling.

Om de effecten van een neutronenbombardement te simuleren - het type straling dat de meeste materiaaldegradatie in een reactoromgeving veroorzaakt - gebruiken onderzoekers gewoonlijk ionenstralen, die een soortgelijk soort schade veroorzaken, maar veel gemakkelijker te controleren en veiliger zijn om mee te werken. Het team gebruikte een 6-megavolt ionenversnellerfaciliteit in Sandia als basis voor het nieuwe systeem. Dit soort faciliteiten versnellen het testen omdat ze in slechts een paar uur een jarenlange operationele neutronenblootstelling kunnen simuleren.

Door gebruik te maken van de realtime bewakingscapaciteit van dit systeem, Dennett zegt, het is mogelijk om de tijd te bepalen waarop de fysieke veranderingen in het materiaal beginnen te versnellen, die de neiging heeft om vrij plotseling te gebeuren en snel verloopt. Door het experiment juist op dat punt te stoppen, dan is het mogelijk om in detail te bestuderen wat er op dit kritieke moment gebeurt. "Hierdoor kunnen we ons richten op de mechanistische redenen achter deze structurele veranderingen, " hij zegt.

Short zegt dat het systeem binnen enkele uren gedetailleerde studies kan uitvoeren naar de prestaties van een bepaald materiaal. terwijl het anders maanden zou kunnen duren om door de eerste iteratie te komen om het punt te vinden waarop degradatie begint. Voor een volledige karakterisering, conventionele methoden "kan een half jaar duren, versus een dag" met het nieuwe systeem, hij zegt.

In hun tests van het systeem, het team gebruikte twee zuivere metalen - nikkel en wolfraam - maar de faciliteit kan worden gebruikt om alle soorten legeringen en zuivere metalen te testen, en kon ook vele andere soorten materialen testen, zeggen de onderzoekers. "Een van de redenen waarom we hier zo opgewonden zijn, "Dennet zegt, is dat wanneer ze deze methode op wetenschappelijke conferenties hebben beschreven, "Iedereen met wie we hebben gesproken, zegt 'kun je het op mijn materiaal proberen?' Iedereen heeft een idee van wat er zal gebeuren als ze hun eigen ding kunnen testen, en dan kunnen ze veel sneller in hun onderzoek."

De daadwerkelijke metingen door het systeem, die trillingen in het materiaal stimuleert met behulp van een laserstraal en vervolgens een tweede laser gebruikt om die trillingen aan het oppervlak waar te nemen, direct de elastische stijfheid en thermische eigenschappen van het materiaal onderzoeken, legt Dennett uit. Maar die meting kan dan worden gebruikt om andere gerelateerde kenmerken te extrapoleren, inclusief defect en ophoping van schade, hij zegt. "Het is wat ze je vertellen over de onderliggende mechanismen" dat het belangrijkst is.

De unieke faciliteit, nu in bedrijf bij Sandia, is ook het onderwerp van voortdurend werk van het team om de capaciteiten verder te verbeteren, zegt Dennett. "Het is heel goed te verbeteren, " hij zegt, toevoegend dat ze hopen meer verschillende diagnostische hulpmiddelen toe te voegen om meer eigenschappen van materialen tijdens bestraling te onderzoeken.

Het werk is "een slimme technische benadering waarmee onderzoekers de reactie van een verscheidenheid aan materialen op stralingsschade kunnen karakteriseren, " zegt Laurence J. Jacobs, professor en associate dean voor academische zaken bij Georgia Tech, die niet bij het onderzoek betrokken was. Hij zegt dat het "een uitstekend stuk onderzoek is naar een contactloos, niet-destructieve evaluatietechniek die de realtime, in situ monitoring van de mechanische eigenschappen van een materiaal dat wordt blootgesteld aan bestraling met ionen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.