Laserbasiertes System ermöglicht Echtzeit-Monitoring von Strahlungsschäden in Materialien

• Neues System basierend auf Transient Grating Spectroscopy detektiert strahlungsinduzierte Materialveränderungen in Echtzeit.
• Verglichen mit bestehenden Techniken (halbjährliche Charakterisierung), dauert es nur einen Tag.

Hochstrahlungs-Umgebungen wie in Kernkraftwerkskernen erfordern extrem hochwertige Materialien. Mikrostruktur und damit Performance dieser Materialien in Kernanlagen ändern sich drastisch über Betriebsjahre.

Die meisten Materialien versagen durch verstärkte Ausfällung, volumetrisches Quellen, ballistische Inklusionsauflösung, strahlungsassistierte Spannungsrisskorrosion und verstärkte Segregation.

Bestehende Testmethoden für Materialbeständigkeit in solchen Umgebungen sind nicht sehr effektiv. Sie nutzen „Cook-and-Look“-Ansatz: Materialien hoher Strahlung aussetzen, dann zur genauen Inspektion entnehmen. Prozess so zeitaufwendig, dass er Entwicklung fortschrittlicher Materialien für neue Reaktoren verzögert.

Forschungsteam an MIT und Sandia National Laboratories baute neues System, das strahlungsinduzierte Änderungen in Echtzeit effektiv verfolgt und mehr Einblicke als konventionelle Techniken liefert.

Da zahlreiche Kernanlagen Betriebslebensende erreichen, könnte Technologie helfen entscheiden, welche Anlagen wie lange sicher verlängert werden können.

Neue Art der Materialprüfung

Neues Laser-System nutzt Transient Grating Spectroscopy (TGS) – optische Technik zur Messung Quasiteilchen-Ausbreitung. Detektiert physikalische Materialänderungen: thermische Diffusivität, Elastizität, ohne Material zu beschädigen oder Eigenschaften zu ändern.

Team testet Methode seit ca. zwei Jahren. System liefert nun präzise Daten, um Ingenieuren zu helfen, Degradation von Materialien in Reaktorbehältern über Zeit zu verstehen.

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

Erstmals wird TGS genutzt, um strahlungsbedingte Schäden genau zu beobachten. Erfasst, ob Materialeigenschaften sich während Betriebsjahren ändern – z. B. Fähigkeit, auf Spannungen zu reagieren oder Wärme zu leiten.

Zur Replikation Strahlungsumgebungen simulierten Forscher Neutronenbombardement-Effekte mit Ionenstrahlen, die Material ähnlich wie echte Reaktoren schädigen, aber sicherer und kontrollierbarer sind. 6-Megavolt-Ionenbeschleuniger simuliert Jahre Neutronenexposition in Stunden.

Neues System installiert und getestet bei Sandia National Labs | Bildnachweis: Cody Dennett

Messungen durch Simulation Materialvibrationen per Laserstrahl und Beobachtung dieser Vibrationen an Oberfläche mit zweitem Laser. Messung nutzbar auch für verwandte Eigenschaften: Schadensakkumulation, Defekte im Material.

Da System Materialien in Echtzeit überwacht, kann Experiment an kritischem Moment gestoppt und Schaden detailliert studiert werden. Ermöglicht Ingenieuren, mechanistische Gründe hinter Fehlern zu identifizieren.

Traditionelle Methoden brauchen Monate für initialen Degradationsauslöser. Neues System schafft das in wenigen Stunden. Laut Bericht: Komplette Charakterisierung eines Materials in einem Tag, bestehende Techniken brauchen fast ein halbes Jahr.

Was kommt als Nächstes?

Bisher testeten Forscher System an zwei Reinstmetallen: Wolfram und Nickel. In kommenden Monaten testen sie andere Metalle und diverse Legierungen.

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Team arbeitet auch an weiterer Systemverbesserung und zusätzlichen Diagnosetools für mehr Eigenschaften strahlenexponierter Materialien.