אנו מציגים ניסויים אילו דלק גרעיני אמיתי, מול, חומרי בידוד לייזר מחוממת לטמפרטורות מעבר K 3000 בעוד ההתנהגות שלהם הוא נחקר על ידי הזוהר ספקטרוסקופיה ו אנליזה תרמית. ניסויים אלה לדמות, בקנה מידה מעבדה, היווצרות של לבה-שלב בעקבות התמוטטות ליבת כור גרעיני.
גדולה וחמורה תאונות התרחשו שלוש פעמים ב תחנות כוח גרעיניות (רכיבי Npp), על אי שלושת המילין (ארה ב, 1979), צ’רנוביל (ברית המועצות לשעבר, 1986), Fukushima (יפן, 2011). מחקר על הסיבות, דינמיקה, וההשלכות של תקריות אלה בוצעו כמה מעבדות ברחבי העולם בשלושת העשורים האחרונים. הן מטרות משותפות של פעילויות מחקר כגון: מניעת סוגים אלה של תאונות, שניהם קיימים ופוטנציאליים ניו תחנות כוח גרעיניות; צמצום ההשלכות שלהם בסופו של דבר; בסופו של דבר, הבנה מלאה של הסיכונים האמיתי קשור רכיבי Npp. -המכון הוועדה המשותפת מחקר המרכז האירופי של אלמנטים טראנס אורנוס, מתקן לייזר-חימום ומהר radiance ספקטרו-pyrometry משמש סימולציה מעבדה, בקנה מידה קטן, של NPP הליבה המשבר, הסוג הנפוץ ביותר של חמור תאונה (SA) שיכולים להתרחש בתוך כור גרעיני בשל כשל של מערכת הקירור. כלי סימולציה זה מאפשר מדידות טמפרטורה גבוהה מהיר ויעיל על חומרים גרעיניים אמיתי, כמו פלוטוניום ודוגמאות קלות המכילות אקטיניד ביקוע דלק. במובן זה, בהיכולת לייצר כמות גדולה של נתונים הנוגעים החומרים בתנאים קיצוניים, הגישה ניסיוני הנוכחית היא ללא ספק ייחודית. עבור מושגים הנוכחיים והעתידיים של NPP, דוגמה התוצאות מוצגים על ההתנהגות ההיתוך של כמה סוגים שונים של דלק גרעיני: תחמוצות אורניום-פלוטוניום carbides, nitrides. בקצרה גם מוצגות תוצאות האינטראקציה בטמפרטורות גבוהות של תחמוצת דלקים מחומרים הבלימה.
למרות ביקוע גרעיני מוצג בהרחבה כמקור אנרגיה בקנה מידה גדול, כמעט בלתי נדלים מבטיח, קבלתה לעיני הציבור עדיין מתעכבת על ידי כמה בטיחות, אבטחה וסיכונים בשמירה הגישה ניסיוניים שהוצגו עבודה זו שמטרתה לענות על שאלות יסוד הנדסת חומרים הנוגעים לאחד את הסיכונים הללו, המופע של תאונות חמורות (SAs) המוביל אל הליבה המשבר בתחנת כח גרעינית (NPP). זה יכול לגרום לשחרור אפשרי של חומר רדיואקטיבי ביותר בסביבה, עם השלכות חמורות, הן עבור בריאותם של האנשים והכלכלה של המדינה. רס ן שיוכי אבטחה מסוג זה התרחשו שלוש פעמים ב רכיבי Npp, על אי שלושת המילין (ארה ב, 1979), צ’רנוביל (ברית המועצות לשעבר, 1986), Fukushima (יפן, 2011). לפיכך, NPP SAs הם המוקד במחקר מספר מתקנים ניכרת של תופעות מאתגרות רבות ברחבי העולם, ההיקף ומורכב בטמפרטורות גבוהות מאוד (לעתים קרובות עולה על 3,000 K), הנוכחות של חומרים רדיואקטיביים.
בתרחיש זה, הוראה זה התבצעה על ידי המועצה האירופית1 מחייבת מדינות האיחוד האירופי להעניק לבטיחות גרעינית העדיפות הגבוהה ביותר בכל שלבי מחזור החיים של תחנת כח גרעינית. זה כולל ביצוע הערכות בטיחות לפני הקמת תחנות כוח גרעיניות חדשים ולהבטיח גם שיפורי בטיחות משמעותיים עבור כורים ישנים.
בהקשר זה, באווירה מבוקרת, לייזר-חימום מהיר radiance ספקטרו-pyrometry מתקן2,3,4 יושמה בנציבות האירופית של המכון של מרכז מחקר משותף אלמנטים טראנס אורנוס עבור הסימולציה מעבדה, בקנה מידה קטן, של NPP הליבה המשבר. בשל גודל המדגם מוגבלת (בדרך כלל ב ס מו -0.1-g-מידה) יעילות גבוהה ואת הטבע מרחוק של לייזר חימום, זו היתרי גישה מהירה, יעילה מדידות טמפרטורה גבוהה על חומרים גרעיניים אמיתי, כולל פלוטוניום מינור אקטיניד המכילות ביקוע דלק דגימות. במובן זה, בהיכולת לייצר כמות גדולה של נתונים הנוגעים החומרים בתנאים קיצוניים, השיטה הניסיונית הנוכחית היא מוכרת ברחבי העולם כמו להיות ייחודי. למעשה, טכניקות חקירה משלימה אחרות מבוסס על חימום השראתי הוכחו סובלים מהירה בטמפרטורות גבוהות האינטראקציות בין דגימת חומר ובלימה,5. בנוסף, אם טכניקות אלה מאפשרות בעיקר צריך כמויות גדולות יותר של חומר עבור ניתוח, הם פחות מתאים מאשר השיטה הנוכחית עבור החקירה של חומרים גרעיניים אמיתי, עקב רדיואקטיביות גבוהה המוגבל של הדגימות.
בניסויים הנוכחית (schematized באיור 1), מדגם, הוטענו של החיטוי באווירה מבוקרת הכלול מוגן-α הכפפות, מחומם על ידי 4.5-kW CW nd: yag לייזר.
איור 1: לייזר- והחימום radiance ספקטרו-pyrometry ניסיוני הקמה.
המדגם קבוע עם ברגים גרפיט (או טונגסטן או מוליבדן) בתוך קיבול גז חזק תחת באווירה מבוקרת. התמונה דיווח בפינה השמאלית התחתונה מראה, לדוגמה, דיסק2 PuO קבועה עם ברגים גרפיט. אם המדגם הוא רדיואקטיבי, כלי הקיבול צריך להיות מותקן בתוך קופסת הכפפות אלפא-חזק. המדגם מחומם על ידי 4.5-kW nd: yag לייזר-1064 ננומטר. Pyrometer מהר שני ערוצים משמש להקלטת הטמפרטורה לדוגמה, משתקף האיתות לייזר Ar+ צריכת חשמל נמוכה יותר. ספקטרו-pyromenter איטי יותר מרובה ערוצים הוא מועסק לניתוח ב באתרו של התכונות האופטיות של המדגם חם. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
קרינה מדחומים דיגיטלים ניחים וניידים למדוד את הדגימה radiance Lלשעבר. זוהי צפיפות הכוח קרינה אלקטרומגנטית לפי יחידת השטח, אורך גל, זווית מרחבית הנפלטת המדגם בטמפרטורה נתונה6. הוא מקושר את הדגימה טמפרטורת פני השטח T באמצעות פונקציה פלאנק ששונה:
איפה Lλ הכוח קרינה, חדוהλ הוא אמיסיביות ספקטרלי, c1 = ילדון h· ג0 2 הוא קרינה קבועה, הראשון c2 = h· ג0/kB = 14,388 µm· K הוא קבוע קרינה השני, c0 הוא מהירות האור בואקום, h הוא קבוע פלאנק, קבוע בולצמן kB . אמיסיביות ספקטרלי לוקח בחשבון העובדה להקרין יהיה גוף אמיתי, אורך גל מסוים, טמפרטורה, רק חלק קטן שווה של הכוח הנפלטת הבולע אידיאלי בטמפרטורה זהה. לפיכך, מקבל ערכים בין 0 ל- 1, עם 1 המתייחס המקרה הבולע אידיאלי עבור החוק של פלאנק אשר נגזר. מאז מדחומים דיגיטלים ניחים וניידים בשנת העבודה הנוכחית סידרו תמיד ליד רגיל ביחס השטח לדוגמה, התלות זווית של חדוהλ לא נחשב, “אמיסיביות” יהיה תמיד מתייחסים אמיסיביות ספקטרלי נורמלי (NSE). NSE צריכה להיקבע על מנת להמיר, באמצעות משוואה 1 והליך הכיול pyrometer, Lex לתוך טמפרטורה מוחלטת טי
הטמפרטורה דגימה מזוהה באמצעות pyrometer מהר מכויל נגד מנורה רגילה עד 2,500 K-λ = 655 nm ו. Radiance 256 ערוצים נוספים ספקטרו-pyrometer הפועלים בין 515 nm ו 980 nm הועסק לחקר NSE (חדוהλ) של המדגם. קביעת NSE אפשרי על-ידי השלמת התאמה ליניארי של ספקטרום הפליטה תרמי עם משוואה 12, 3, T חדוהλ להיות רק שני הפרמטרים חינם. גישה זו כבר הוכיחה להיות מדויקת המתחיל בחומרים עקשן7 כמו אלה המצויים בדרך כלל NPP, אשר ניתן להניח NSE להיות אורך גל-עצמאית (השערת גופו האפור) רחב ספקטרלי. ברגע הטמפרטורה של המדגם מחומם-לייזר נמדד כראוי כפונקציה של הזמן, ניתן לבצע אנליזה תרמית על העקומה המתקבלת טמפרטורה-זמן (תמוגרפיה).נטיות או מעצרים תרמי ב thermograms לתת מידע הקשור מעברי פאזה (סולידוס liquidus, שלב איזותרמי המרות). יתר על כן, מלבד היותו הכרחי לקביעת NSE, ניתוח ספקטרלי ישירה של radiance Lex הנפלטת המדגם חם מאפשרת גם של מחקר ב באתרו של כמה התכונות האופטיות של המשטח למד. זה מהווה כלי תמיכה נוסף לצורך זיהוי תופעות בטמפרטורה גבוהה, כגון מעברי פאזה, תגובות כימיות בין חומרים מרוכז לבין שלב גז, או סגרגציה אפקטים. טכניקה נוספת בשם משתקף האור אות (RLS) ניתוח2, 3 משמש כדי לאשר מעברי פאזה. . הוא מנוהל על-ידי שימוש בערוץ השני של pyrometer מכוון לתחנה צריכת חשמל נמוכה (1 W) Ar+ לייזר (λ = 488 ננומטר). ערוץ זה מזהה את קרן הלייזר שמקורם חלל Ar+ , בא לידי ביטוי פני מדגם. אות RLS קבוע מצביע על משטח יציב, בעוד תנודות אקראיות מופיעים לאחר התכה עקב תנודות הנוצרות על-ידי מתח על פני מדגם נוזלי.
באופן כללי, כורים water-cooled באמצעות מכלי דלק מוצק, כיום היא הסוג הנפוץ ביותר של NPP, בעלי ארבעה מחסומים רצופים כדי להבטיח את הבלימה של רדיואקטיביות8. המחסום הראשון הוא בגדר דלק עצמו, בזכות המבנה הגבישי שלה מיקרו-מאקרוסקופית נקבוביות, באפשרותך להחזיק את מוצרי ביקוע מוצק וחלק אלו נדיפים. באופן כללי, הרכיב הדלק כולו ממוקם על חיפוי מתכתי (Zircaloy או פלדה) שעובדת כמו השלב השני של הגנה. במקרה של כשלון חיפוי, המחסום השלישי הוא כל NPP הפנימי הכלי, באופן כללי התחומה קיר פלדה כמה ס מ עבה (מערכת הראשית). לבסוף, הכלילה בניין (בטון בעובי מטר) היא המכשול האחרון בטיחות לפני שחרורו לסביבה.
במקרה של כשל של מערכת קירור המים, SA NPP יכול להתרחש, המוביל אל ליבה של התחממות יתר, יהיה בסדר. התחממות יתר היא בתחילה בשל החום ביקוע. עם זאת, בהיעדר קירור, התחממות יתר יכולים גם להמשיך זמן רב לאחר הסיום של תגובות שרשרת גרעיניות, בשל שיורית קרינת החום של מוצרי ביקוע, מינים אחרים-רדיואקטיבי הכלולים ההריסות ליבה גרעינית. באופן כללי, הליבה להמיס יתחיל מהחלק המרכזי של רכיב דלק, אלא אם כן תרכובות התכה נמוכה יותר (אולי eutectics) נוצרות על הממשק בין דלק חיפוי. המטרה הראשונה של המחקר הנוכחי מורכב הקמת אם תרכובות כגון התכה נמוכה יותר יכול להיווצר במערכות ממש דלק-חיפוי, ומאיזו, במקרה זה, וכתוצאה מכך נמס בטמפרטורה דיכאון. על מנת לענות על שאלה זו, ההתנהגות ההיתוך של תרכובות דלק טהור ומערבבים אותו לראשונה וצריך עמוקה להעריך, אשר ולפיכך מהווה מטרה חשובה אפילו יותר של הגישה הנוכחית. אם דלק, חיפוי ממיסים יחד, המסה נוזלי במהירות ליפול לתחתית הכלי העיקרי ולהתחיל להגיב עם הקיר פלדה ועם הנותרים מים קיטור, אם בכלל. בשלב זה, פלדה ניתן גם ניתן להמיס יחד עם הדלק/חיפוי חם תערובת. הנוזל כמו לבה המתקבל נקרא “corium”. תערובת זו חם, רדיואקטיבי מאוד יכול מפוזר בחוץ ההכלה הראשי אם הקיר פלדה מומס דרך ובסוף להגיב אפילו עם הבטון המהוות את מחסום החיצוני ביותר. החום גבוהות תגובתיות גבוהה של נוכח corium המין האנושי יכול להוביל מים דיסוציאציה ואת הייצור של מימן. התוצאה עלולה להיות סיכון נוספים של פיצוצים אדים ומימן (.cf. ה-SAs אי שלושת המילין, Fukushima), חמצון כבד, או בהתייבשות (פחות סביר) של corium החומרים מבניים NPP ובמסתם. השיטה הניסיונית הנוכחית מאפשרת את ההפרדה ניתוח ניסיוני במספר של המנגנונים physicochemical מורכבים רבים הקשורים רצף האירועים המתוארים. מלבד הרכיב טהור שהוזכרו התכה ניתוח ואת האינטראקציה דלק-חיפוי, מספר טמפרטורה גבוהה האינטראקציה מנגנונים יכול ייחקרו במערכות פשוטה, כגון בין דלק המכילים Pu פלדה, בין דלק ובטון, וכו ‘. היווצרות corium פוטנציאלי יכול להילמד בנוכחות אווירה שונה (גז אינרטי, אוויר, עקבות של מימן או אדים), הפקת נתונים הפניה חשובה להבנה מקיפה של שיוכי אבטחה.
הגישה הנוכחית, מתאים במיוחד עבור החקירה מעבדה של גבוהה המסת חומרים, ננקטה גם לניתוח מוצלח של אחרים, חדשניות יותר סוגי דלקים גרעינית (בהתאם, לדוגמה, אורניום carbides או nitrides), חומרים עקשן אחרים, כגון carbides9, טנטלום, הפניום זירקוניום, superalloys מתכתי, סיד10, וכו ‘.
הטכניקה ספקטרוסקופיה הקרינה לייזר-חימום המובאת כאן מזוהה בתור שיטה חדשנית ויעילה עבור החקירה של התנהגות מאוד בטמפרטורות גבוהות ולא ההיתוך של חומרים עקשן15, 16. הודות טבעו מרחוק, כמעט מיכל-פחות, זה מתאים במיוחד עבור לימוד ניסיוני של חומרים גרעיניים רדיואקטיבי, הסימולציה של הליבה המשבר תאונות רכיבי Npp, כפי שהראה תוצאות הדוגמה המובאת כאן.
בעוד נתוני הניסוי בהערכת שהושג עם השיטה הנוכחית, יש ללא ספק להזהר על המשימה הנכון של נקודות ניסיוני שלב מעברים. למעשה, בטמפרטורות גבוהות מאוד, קינטיקה גשמי יכול להיות מהיר במיוחד, כמה קשה-עד-פקד תופעות עלולות להתרחש, כגון אידוי שאינם קונגרואנטי, סגרגציה, דיסוציאציה מורכבים, וכו ‘. כמו ההשוואה עם שיטות מסורתיות יותר חימום (כמו אינדוקציה תנורים) מדגים, התרחשות אפשרית של תופעות כאלה מצדיקה את השימוש מהר חימום וקירור טכניקה כמו הנוכחי. מצד שני, ספקות שעלולים להתעורר על ייצוב יעיל של תנאי שיווי משקל תרמודינמי בתנאים חימום הנוכחיים. כפי שהוסבר בסעיף ההליך, אין אפשרות להבטיח תנאים במהלך החלק לייזר-חימום מהיר של מחזוריות תרמי. עם זאת, תנאי שיווי משקל תרמודינמי מיוצרים בהחלט על הבמה קירור. הצהרה זו היה מאומת עם העזרה של קוד מחשב המדמה את הניסויים הנוכחיים, ועל סמך ליד שיווי משקל המוני ובהפצה חום בנוכחות מעברים מקומיים שלב11. למרות זאת, שיווי משקל תרמודינמי תנאים צריך תמיד להיות הצלבת ניסיוניים, בדרך כלל על ידי מדידת היטב המוערך שלב המעבר טמפרטורות תרכובות שאפשר לקחת כהפניות. זה מומש בשנת העבודה הנוכחית עם נקודות התכה/התמצקות של W, מו (מומלץ כמו טמפרטורות הפניה משנית בסולם הבינלאומי טמפרטורה של 199017,18,19), אז פרט להתמחות2, ZrC-C התזת9. מדידת נקודות התייחסות כזו נחוץ גם כדי להעריך את הדיוק ואת אי הוודאות של הגישה הנוכחית.
בהתחשב בתנאים קיצוניים והתופעות מיוצר הניסויים לייזר-חימום, ניתוח מדויק אי ודאות הוא בעל חשיבות עליונה עבור השימושיות של הנתונים הופק. עבור קמפיינים מוצלחים מדידה, הוודאות המצטבר להשפיע על הנתונים טמפרטורת מעבר השלב הנוכחי צריך כמות ±1% של הטמפרטורה המוחלט, עם גורם כיסוי 2–סטיית התקן (95% ביטחון). יות אי-ודאות יכולות להיות גדולות עבור חומרים מסובכים, שבו, לדוגמה, אידוי שאינם קונגרואנטי עשויים להשתנות הרכב מדגם בפועל באופן בלתי נשלט במהלך הניסויים. אי-וודאות כזה צריך לקחת בחשבון את השגיאות בשל ההליך כיול, הקביעה NSE, דוגמת יציבות (קרי, הדיר, משקאות לייזר רצופים, ניסיוני שלב המעבר טמפרטורות), וכו ‘. דוגמה של חוסר ודאות ניתוח נקודת התכה הקפאה של PuO2 הוא דיווח בטבלה 1. התרומות ודאות שונים יכול להיחשב משולב על פי חוק הפצת שגיאה3ועצמאיות.
טבלה 1: דוגמה של חוסר ודאות ניתוח נקודת התכה הקפאה של PuO2 (הפניה13).
המשמעות והערך של c2 הוא דיווח במקטע מבוא עם ההערות על משוואה 1. Δחדוהλ עומד כאן על שתי סטיות תקן סביב הערך ניסיוני הממוצע שהתקבל עבור חדוהλ הולם radiance ניסיוני ספקטרה בתוך ההנחה גופו האפור. ΔTc ו- δTd מייצגים שתי סטיות תקן בסביבה עקומת הטמפרטורה משוערים מנורה רגיל ממוצע ואת הערך הטמפרטורה הממוצעת התמצקות ניסיוני, בהתאמה.
כמה שיפורים יכול להתבצע על הגישה ניסיוני הנוכחי. בפרט, חיבור הספינה לחץ עם ספקטרומטר מסה באמצעות מערכת צינור מורכב תאפשר הזיהוי, לפחות איכותית, המינים נוכח הפלומה אדי שפורסמו על ידי החומר חם. יתר על כן, מימוש מצלמה תרמית היא לחזות לצורך המחקר דו-ממדית של התפלגות הטמפרטורה על פני לדוגמה חמים כדי לזהות inhomogeneities אפשרי ואפקטים סגרגציה. לבסוף, שיפורים במערכת בטיחות סביב הציוד הנוכחי הם לצפות מראש. למעשה, המשמש כאן הכפפות פרספקס הנוכחי מתאים המחקר של חומרים רדיואקטיבי, כגון אורניום, אלמנטים טראנס אורנוס, בזכות העובדה כי היא חוסמת ביעילות α קרינה. עם זאת, את המגן אינה בטוחה מספיק עבור החקירה של קרינת γ חזקה, כמו כייחוס הכלול ממש לקרינה דלק גרעיני. מתקן חדש כולל תא עם קירות העופרת היא לחזות לחקר והדלק הגרעיני מגיע רכיבי Npp אמיתי.
The authors have nothing to disclose.
המחברים חבים הנציבות האירופית למימון המחקר הנוכחי תחת תוכניות המחקר המוסדית שלה. בנוסף, חלק המחקר הציג מומן באמצעות EC 6th במסגרת תוכנית תחת הפרויקט F-גשר ופרויקטים 7th FP תחת SAFEST את ועדין.
Two-channel fast pyrometer | Assembled privately | Fast pyrometer. Photodiode detectors at 650 nm and 488 nm, assembled with focussing objective and fast logarithmic amplifier. | |
Laser TRUMPF HLD4506, TRUMPF, | TRUMPF Schramberg, Germany | HLD4506 | Heating agent |
CDI spectrometer | CDI | Optical Spectrograph card, 256 channels | Multi-wavelength spectro-pyrometer array |
Ar+ laser | Ion Laser Technology | 5500A-00 | 0.75 W RLS laser |
Oscilloscope NICOLET | NICOLET, Madison, Wi, USA | Pro 44C Transient Digitizer | AD converter, data acquisition system |
SETNAG Oxygen analyser | SETNAG, Marseille, France | JC24V-M | ZrO2 electrochemical cell for oxygen analysis in the autoclave |
Blackbody source | POLYTECH CI Waldbronn, Germany | Customized | Black body source for spectro-pyrometer calibration |
Standard calibration lamps | POLARON, Watford, UK | P.224c and P213c | Lamps for pyrometer and spectro-pyrometer calibration |