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天天熱點(diǎn)!評估反應(yīng)堆輻射損傷的新方法

2023-01-10 16:57:14

一種新的方法可以大大減少核電反應(yīng)堆中某些重要安全檢查所需的時間和費(fèi)用。這種方法可以在短期內(nèi)節(jié)省資金并增加總的電力輸出,而且從長遠(yuǎn)來看,它可能會增加工廠的安全運(yùn)行壽命。

許多分析家認(rèn)為,控制溫室氣體排放的最有效方法之一是延長現(xiàn)有核電站的壽命。但是,將這些電廠延長到其最初允許的運(yùn)行壽命之外,需要監(jiān)測其許多關(guān)鍵部件的狀況,以確保熱和輻射沒有造成損害,也不會造成不安全的裂紋或脆化。

今天,對反應(yīng)堆的不銹鋼部件--這些部件構(gòu)成了防止熱量堆積的大部分管道系統(tǒng),以及許多其他部件-的測試需要移除同種鋼的測試件,稱為試樣,這些試樣被放置在實(shí)際部件的旁邊,以便它們經(jīng)歷相同的條件。或者,它需要移除實(shí)際運(yùn)行部件的一小塊。這兩種方法都是在反應(yīng)堆昂貴的停運(yùn)期間進(jìn)行的,延長了這些預(yù)定的停運(yùn)時間,每天要花費(fèi)數(shù)百萬美元。


(資料圖片僅供參考)

現(xiàn)在,麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員已經(jīng)想出了一種新的、廉價的、不需要動手的測試,可以產(chǎn)生關(guān)于這些反應(yīng)堆部件狀況的類似信息,而在停運(yùn)期間所需的時間要少得多。今天,麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程教授Michael Short、Saleem Al Dajani "19 SM "20(他在麻省理工學(xué)院完成了這個項目的碩士工作,現(xiàn)在是沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(xué)(KAUST)的博士生)以及麻省理工學(xué)院和其他機(jī)構(gòu)的其他13人在《Acta Materiala》雜志上報告了這些發(fā)現(xiàn)。

該測試包括將激光束瞄準(zhǔn)不銹鋼材料,在其表面產(chǎn)生表面聲波(SAWs)。然后,另一組激光束被用來檢測和測量這些SAWs的頻率。對與核電站相同老化的材料進(jìn)行的測試表明,當(dāng)材料退化時,這些波產(chǎn)生了獨(dú)特的雙峰光譜特征。

Short和Al Dajani在2018年開始了這一過程,尋找一種更快速的方法來檢測一種特定的退化,稱為尖晶石分解,這種退化可能發(fā)生在奧氏體不銹鋼中,奧氏體不銹鋼被用于諸如將冷卻劑水輸送到反應(yīng)堆核心的2至3英尺寬的管道等部件。這一過程可能導(dǎo)致脆化、開裂,并在緊急情況下可能出現(xiàn)故障。

Short說,雖然尖晶石分解并不是反應(yīng)堆部件中可能發(fā)生的唯一類型的降解,但它是核反應(yīng)堆的壽命和可持續(xù)性的主要關(guān)注點(diǎn)。

Al Dajani說:"我們正在尋找一種信號,可以將材料脆化與我們可以測量的屬性聯(lián)系起來,可以用來估計結(jié)構(gòu)材料的壽命?!?/p>

他們決定嘗試Short和他的學(xué)生及合作者已經(jīng)擴(kuò)展的技術(shù),稱為瞬態(tài)光柵光譜,或TGS,在已知的反應(yīng)堆材料樣品上,由于其類似反應(yīng)堆的熱老化歷史,經(jīng)歷了旋光分解。該方法使用激光束來刺激,然后測量材料上的SAWs。我們的想法是,分解應(yīng)該減慢通過材料的熱流速度,這種減慢可以通過TGS方法檢測出來。

然而,事實(shí)證明并沒有這種減速。Short說:"我們帶著對我們會看到什么的假設(shè)進(jìn)去,但我們錯了。

相反,數(shù)據(jù)中顯示的是,雖然一種材料通常會產(chǎn)生一個材料的SAWs的單一頻率峰值,但在退化的樣品中,有一個分裂成兩個峰值的現(xiàn)象。

肖特回憶說:"這是數(shù)據(jù)中一個非常清晰的模式,我們只是沒有想到,但它就在那里,在測量中向我們喊話。"

像那些用于反應(yīng)堆部件的鑄造奧氏體不銹鋼是所謂的雙相鋼,實(shí)際上是兩種不同晶體結(jié)構(gòu)在同一材料中的混合設(shè)計。但是,雖然這兩種類型中的一種相當(dāng)不受尖晶石分解的影響,另一種卻相當(dāng)容易受到影響。當(dāng)材料開始降解時,這種差異會在材料的不同頻率響應(yīng)中顯示出來,這就是該團(tuán)隊在他們的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的。

不過,這一發(fā)現(xiàn)完全是一個驚喜。肖特說:"我的一些現(xiàn)任和前任學(xué)生都不相信它的發(fā)生。我們無法說服我們自己的團(tuán)隊,以我們所掌握的最初的統(tǒng)計數(shù)據(jù),這是在發(fā)生。"因此,他們回去后進(jìn)行了進(jìn)一步的測試,這繼續(xù)加強(qiáng)了結(jié)果的重要性。他們達(dá)到了一個置信度為99.9%的程度,即旋光分解確實(shí)與波峰分離相吻合?!?/p>

Al Dajani說:"我們與那些反對我們最初假設(shè)的人的討論,最終將我們的工作推向了新的高度?!?/p>

他們所做的測試使用了基于實(shí)驗(yàn)室的大型激光器和光學(xué)系統(tǒng),因此下一步,研究人員正在努力工作,就是將整個系統(tǒng)小型化,使其成為一個容易攜帶的測試工具,用于現(xiàn)場檢查反應(yīng)堆部件,減少停工的時間。他說:"我們正在取得巨大的進(jìn)步,但我們?nèi)杂幸恍┞芬??!?/p>

但當(dāng)他們實(shí)現(xiàn)下一步時,他說,這可能會帶來巨大的變化。Al Dajani說:"對于一個典型的千兆瓦級反應(yīng)堆來說,你的核電站每停運(yùn)一天,你每天就會損失大約200萬美元的電力,所以縮短停運(yùn)時間是目前該行業(yè)的一件大事?!?/p>

他補(bǔ)充說:“該團(tuán)隊的目標(biāo)是找到使現(xiàn)有工廠能夠更長時間運(yùn)行的方法:讓它們停運(yùn)的時間更短,并且與現(xiàn)在一樣安全或更安全--不是偷工減料,而是利用智能科學(xué),以更少的努力獲得相同的信息。而這正是這項新技術(shù)似乎能提供的東西?!?/p>

肖特希望,通過對關(guān)鍵部件進(jìn)行頻繁的、簡單的和廉價的測試,這將有助于使發(fā)電廠的運(yùn)行許可再延長幾十年而不影響安全。他說:“現(xiàn)有的大型發(fā)電廠 "每年每座發(fā)電廠產(chǎn)生的無碳電力僅略低于10億美元,而將一座新的發(fā)電廠上線可能需要十年以上的時間。為了彌合這一差距,保持我們目前的核電在線是我們?yōu)閼?yīng)對氣候變化所能做的最大的一件事。"

該團(tuán)隊包括麻省理工學(xué)院、愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室、英國曼徹斯特大學(xué)和倫敦帝國學(xué)院、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室、電力研究所、東北大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校和科大的研究人員。這項工作得到了麻省理工學(xué)院國際設(shè)計中心和新加坡科技設(shè)計大學(xué)、美國核管理委員會和美國國家科學(xué)基金會的支持。

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