レーザーベースシステムで材料の放射線損傷をリアルタイム監視

原子力発電所の炉心のような高放射線環境では、極めて高品質な材料が必要です。これらの材料の微細構造、ひいては性能は、運転年数とともに劇的に変化します。

ほとんどの材料は、析出促進、体積膨張、弾道的包有物溶解、照射支援応力腐食割れ、偏析促進によって故障します。

このような過酷な環境に対する材料耐性の既存テスト手法はそれほど効果的ではありません。「調理して観察」アプローチに依存しています：材料を高放射線環境にさらし、その後取り出して詳細検査します。しかし、このプロセスは非常に時間がかかり、新型炉向け先進材料の開発を遅らせています。

この問題を解決するため、MITとサンドイア国立研究所の研究チームが、放射線誘起変化をリアルタイムで効果的に追跡し、従来技術より多くの洞察を提供する新システムを構築しました。

多数の原子力施設が運転寿命の末期に近づいているため、この技術はどの原子力プラントをどの程度安全に延長運転できるかを判断するのに役立つでしょう。

新しいレーザーベースシステムは、過渡グレーティング分光法（TGS）に依存しています。これは準粒子伝播を測定する光学技術です。材料の物理的変化（熱拡散率と弾性など）を、材料を損傷させたり特性を変更したりせずに検出できます。

チームは約2年間この手法をテストしてきました。現在、システムはエンジニアが炉内容器内部の材料が時間とともにどう劣化するかを理解するのに役立つ正確なデータを提供する準備ができています。

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

これはTGSを用いて放射線による損傷を詳細に観察した初めての事例です。運転年数中に材料特性が変化したかどうか、たとえば応力への応答能力や熱伝導性などを検出できます。

放射線環境を再現するため、研究者たちは中性子照射の効果をイオンビームでシミュレートしました。これは実際の炉と同様の方法で材料を損傷させますが、より安全に扱え、はるかに制御しやすいです。6メガボルトのイオン加速器を用いて、数年の中性子曝露を数時間でシミュレートしました。

サンドイア国立研究所で設置・テストされた新システム | Image credit: Cody Dennett

測定は、レーザービームで材料振動をシミュレートし、別のレーザーで表面でのそれらの振動を観察することで行われます。この測定は、与えられた材料の損傷蓄積と欠陥など、他の関連特性の決定にも使用できます。

システムがリアルタイムで材料を監視するため、臨界瞬間で実験を停止し、損傷を詳細に研究することが可能です。これによりエンジニアはそれらの故障の背後にある機構的理由を特定できます。

従来手法では劣化を引き起こした初期要因を見つけるのに数ヶ月かかります。一方、新システムなら同じことを数時間で可能です。報告によると、特定材料の完全特性評価にはわずか1日しかかかりませんが、既存技術ではほぼ半年を要します。

これまで、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。今後数ヶ月で、他の金属とさまざまな種類の合金をテストする予定です。

チームはまた、システムの能力をさらに向上させ、放射線に曝露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作業も進めています。

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