新しいレーザーベースのシステムは、材料への放射線損傷を継続的に監視できます

• 過渡格子分光法に基づく新しいシステムは、放射線によって引き起こされる材料の変化をリアルタイムで検出します。
• 特定の素材を完全に特徴づけるのに半年かかる既存の手法と比較すると、1日しかかかりません。

原子力発電所のコアに見られるような高放射線環境には、非常に高品質の材料が必要です。原子力施設におけるこれらの材料の微細構造、ひいては性能は、何年にもわたって大幅に変化します。

ほとんどの材料は、降水量の増加、体積膨潤、弾道介在物の溶解、照射支援応力腐食割れ、および偏析の強化が原因で故障します。

このような過酷な環境に耐える材料の能力をテストするための既存の方法は、あまり効果的ではありません。彼らは「クックアンドルック」アプローチに依存しています。このアプローチでは、材料は高放射線環境にさらされ、綿密な検査のために取り出されます。ただし、このプロセスは非常に時間がかかるため、新しい原子炉用の先端材料の開発が遅れます。

この問題を解決するために、MITとサンディア国立研究所の研究チームは、放射線による変化をリアルタイムで効果的に追跡し、従来の手法よりも多くの洞察を提供できる新しいシステムを構築しました。

多くの原子力施設が操業寿命の終わりに向かっているので、この技術は、どの原子力発電所をどれだけ安全に拡張できるかを決定するのに役立つ可能性があります。

材料をテストする新しい方法

新しいレーザーベースのシステムは、準粒子伝搬を測定するための光学技術であるトランジェントグレーティングスペクトロスコピー（TGS）に依存しています。材料の特性を損傷したり変更したりすることなく、熱拡散率や弾性などの材料の物理的変化を検出できます。

チームはこの方法を約2年間テストしています。これで、システムは、原子炉容器内の材料が時間の経過とともにどのように劣化するかをエンジニアが理解するのに役立つ正確なデータを提供する準備が整いました。

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

誰かがTGSを使用して放射線による損傷を注意深く観察したのはこれが初めてです。応力に応答したり熱を伝導したりする能力など、材料の特性が運用期間中に変化したかどうかを検出できます。

放射線環境を再現するために、研究者はイオンビームを使用して中性子衝撃の影響をシミュレートしました。これは実際の原子炉と同様の方法で材料に損傷を与えますが、操作がより安全で、制御がはるかに簡単です。彼らは6メガボルトのイオン加速器を使用して、何年にもわたる中性子曝露を数時間でシミュレートしました。

サンディア国立研究所でインストールおよびテストされた新しいシステム|画像クレジット：Cody Dennett

測定は、レーザービームを使用して材料の振動をシミュレートし、別のレーザーを使用して表面でそれらの振動を観察することによって行われます。この測定値は、特定の材料の損傷の蓄積や欠陥など、他の関連する特性を決定するためにも使用できます。

システムはリアルタイムで材料を監視するため、重要な瞬間に実験を停止し、損傷を詳細に調査することができます。これにより、エンジニアはこれらの失敗の背後にあるメカニズムの理由を特定することもできます。

従来の方法では、劣化を引き起こした最初の要因を見つけるのに数か月かかります。一方、新しいシステムでは、数時間で同じことができます。レポートによると、特定の材料の完全な特性評価には1日しかかかりませんが、既存の手法では半年近くかかります。

次は？

これまでのところ、研究者たちは、タングステンとニッケルの2つの純金属でシステムをテストしてきました。今後数か月以内に、他の金属やさまざまな種類の合金をテストするために使用する予定です。

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チームはまた、システムの機能をさらに改善し、放射線にさらされた材料のより多くの特性を調査するための診断ツールを追加するために取り組んでいます。