Neues laserbasiertes System kann Strahlungsschäden an Materialien kontinuierlich überwachen

• Ein neues System, das auf transienter Gitterspektroskopie basiert, erkennt strahlungsinduzierte Veränderungen an Materialien in Echtzeit.
• Im Vergleich zu bestehenden Techniken, die ein halbes Jahr brauchen, um ein bestimmtes Material vollständig zu charakterisieren, dauert es nur einen Tag.

Umgebungen mit hoher Strahlungsintensität, wie sie in den Kernen von Kernkraftwerken vorkommen, erfordern extrem hochwertige Materialien. Die Mikrostruktur und damit die Leistung dieser Materialien in Kernkraftwerken ändert sich im Laufe der Betriebsjahre drastisch.

Die meisten Materialien versagen aufgrund erhöhter Ausscheidung, volumetrischer Quellung, Auflösung ballistischer Einschlüsse, strahlungsunterstützter Spannungsrisskorrosion und verstärkter Seigerung.

Bestehende Methoden zum Testen der Fähigkeit von Materialien, solch rauen Umgebungen standzuhalten, sind nicht sehr effektiv. Sie verlassen sich auf den „Cook and Look“-Ansatz, bei dem Materialien einer Umgebung mit hoher Strahlung ausgesetzt und dann zur genauen Inspektion entfernt werden. Das Verfahren ist jedoch so zeitaufwendig, dass es die Entwicklung fortschrittlicher Materialien für neue Reaktoren verzögert.

Um dieses Problem zu lösen, hat ein Forschungsteam des MIT und der Sandia National Laboratories ein neues System entwickelt, das strahlungsinduzierte Veränderungen in Echtzeit effektiv verfolgen und mehr Erkenntnisse liefern kann als herkömmliche Techniken.

Da sich zahlreiche Kernkraftwerke dem Ende ihrer Betriebszeit nähern, könnte die Technologie helfen zu entscheiden, welche Kernkraftwerke um wie viel sicher verlängert werden können.

Die neue Art der Materialprüfung

Das neue laserbasierte System basiert auf der transienten Gitterspektroskopie (TGS) – einer optischen Technik zur Messung der Quasiteilchenausbreitung. Es kann physikalische Veränderungen des Materials erkennen, einschließlich der Temperaturleitfähigkeit und Elastizität, ohne seine Eigenschaften zu beschädigen oder zu verändern.

Das Team testet diese Methode seit etwa zwei Jahren. Jetzt ist das System bereit, genaue Daten zu liefern, die Ingenieuren helfen zu verstehen, wie sich Materialien in Reaktorbehältern im Laufe der Zeit zersetzen.

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

Dies ist das erste Mal, dass jemand mit TGS Schäden durch Strahlung genau beobachtet. Es könnte erkennen, ob sich die Eigenschaften des Materials während der Betriebsjahre geändert haben, wie beispielsweise seine Fähigkeit, auf Belastungen zu reagieren oder Wärme zu leiten.

Um Strahlungsumgebungen nachzubilden, simulierten die Forscher die Auswirkungen des Neutronenbeschusses mit Ionenstrahlen, die das Material ähnlich wie echte Reaktoren beschädigen, aber sicherer zu handhaben und viel einfacher zu kontrollieren sind. Sie verwendeten einen Ionenbeschleuniger von 6 Megavolt, um Jahre Neutronenexposition in Stunden zu simulieren.

Das neue System wurde in den Sandia National Labs installiert und getestet | Bildnachweis:Cody Dennett

Die Messungen werden durchgeführt, indem Materialschwingungen mit einem Laserstrahl simuliert und dann diese Schwingungen an der Oberfläche mit einem anderen Laser beobachtet werden. Diese Messung kann auch verwendet werden, um andere verwandte Eigenschaften zu bestimmen, wie z. B. Schadensakkumulation und Defekte in einem bestimmten Material.

Da das System Materialien in Echtzeit überwacht, ist es möglich, das Experiment in jedem kritischen Moment zu stoppen und die Schäden im Detail zu untersuchen. Dies ermöglicht es den Ingenieuren auch, die mechanistischen Gründe für diese Fehler zu ermitteln.

Die traditionellen Methoden brauchen Monate, um den ursprünglichen Faktor zu finden, der den Abbau ausgelöst hat. Das neue System hingegen könnte in wenigen Stunden dasselbe tun. Laut Bericht dauert die vollständige Charakterisierung eines bestimmten Materials nur einen Tag, während bestehende Techniken fast ein halbes Jahr dauern.

Wie geht es weiter?

Bisher haben die Forscher ihr System an zwei reinen Metallen getestet:Wolfram und Nickel. In den kommenden Monaten werden sie damit andere Metalle und verschiedene Legierungen testen.

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Das Team arbeitet auch daran, die Fähigkeiten des Systems weiter zu verbessern und weitere Diagnosewerkzeuge hinzuzufügen, um mehr Eigenschaften von Materialien zu untersuchen, die der Strahlung ausgesetzt sind.