التقنية الأمريكية الجديدة تقلص وقت اختبار مواد المفاعلات النووية إلى ست ساعات

مع تشغيل محطة اختبار مدمجة للأشعة السينية، تم اختصار وقت تقييم المواد اللازمة للمفاعلات النووية من الجيل التالي إلى حوالي ست ساعات، بدلاً من عدة أيام كما كان في السابق. تم تفصيل النظام وبيانات أدائه في مجلة "التصوير التزامني بالإشعاع". قام المهندسون بنشر هذا الإعداد في خط أشعة حيود المسحوق بالأشعة السينية في مختبر بروكهافن الوطني، والذي يعتبر جزءًا من مصدر الضوء التزامني الوطني II. يجمع الجهاز أربع وضعيات منفصلة للتصوير المقطعي الحاسوبي في مرحلة اختبار واحدة. وبالتالي، يمكن للباحثين مراقبة الشكل الفيزيائي والتركيب العنصري والترتيب الذري للأجسام في آن واحد، دون الحاجة إلى قطع أو إتلاف المواد المستهدفة.

يجب أن تحافظ مكونات المفاعلات النووية على سلامتها لسنوات عديدة تحت ضغوط تشغيل قاسية. يتسبب المجال الإشعاعي العالي والإجهاد الميكانيكي والحرارة المرتفعة والتآكل الكيميائي في تلف تدريجي لعناصر الوقود والحاويات. إن فهم التغيرات في هذه البنى المجهرية ضروري للمهندسين قبل اعتماد تصاميم جديدة للمفاعلات.

قدرات التقنية الجديدة في الاختبار

يتيح التصوير المقطعي الحاسوبي بناء نماذج ثلاثية الأبعاد للبنى الداخلية دون الحاجة إلى قطع مادي. تاريخيًا، كان الحصول على صور تحليلية كاملة يتطلب من المشغلين نقل العينة إلى عدة أجهزة مختلفة لإجراء اختبارات فردية. تسبب هذا الاحتكاك اللوجستي في إطالة مدة التجارب إلى عدة أيام، وكان من الصعب فحص المنطقة نفسها تمامًا تحت ظروف اختبار مختلفة. يحل الموقع الجديد هذه المشكلة من خلال تركيز الأشعة السينية عالية الطاقة أو "القاسية" في حزمة ضيقة بعرض 15 ميكرومتر فقط، وهو ما يعادل ربع سمك شعرة الإنسان. تتمتع الأشعة السينية القاسية بالقدرة على اختراق المواد الكثيفة الثقيلة، بما في ذلك الفولاذ الإنشائي للمفاعلات والنويدات المشعة الأكتينيدية مثل اليورانيوم.

توفر الحزمة الضيقة الدقة المكانية اللازمة لقياس المناطق عالية الترتيب والمناطق غير المنتظمة داخل العينة الواحدة.

خلال دورة الاختبار، تستطيع وضعيات التصوير الأربعة للجهاز تسجيل الخصائص الفيزيائية المختلفة في وقت واحد. يسجل التصوير المقطعي بامتصاص الأشعة السينية التغيرات في كثافة العينة، وكشف تشكل الفراغات والشقوق والفجوات الداخلية. في الوقت نفسه، يتتبع التصوير المقطعي بالأشعة السينية الفلورية السمات العنصرية ويرسم خريطة لمواقع العناصر الكيميائية المحددة داخل حجم العينة. يركز التصوير المقطعي بتفريق الأشعة السينية على المناطق البلورية المرتبة، ويقيس الأنماط الهندسية لتشكيل الشبكة الذرية الداخلية. يحلل التصوير المقطعي بتوزيع الاقتران المناطق غير المرتبة غير البلورية، ويصف بالتفصيل البنية الذرية على مستوى المناطق التي تفتقر إلى أنماط الشبكة المرتبة.

قال سيميرجيت جيل، نائب مدير قسم العلوم النووية والأمن في بروكهافن والمؤلف المشارك للورقة الجديدة: "من خلال إجراء هذه التقنيات الأربعة في وقت واحد، يمكننا تحديد موقع هذه التغيرات الكيميائية بدقة وربطها بالتغيرات في قوة ومتانة المواد. هذه العلاقة بين البنية والتركيب والخصائص هي ما نسعى إلى فهمه في دراساتنا حول المواد النووية."

الاتجاهات المستقبلية

لإثبات قدرات الموقع، أنشأ الباحثون عينة تقييمية تجمع بين أسلاك معدنية ذات أقطار وتركيبات كيميائية مختلفة مع مسحوق. أثبتت التجربة أن الموقع يمكنه تسجيل مواقع الذرات وتوزيع العناصر والحدود الفيزيائية في وقت واحد خلال ست ساعات. تجري حاليًا أعمال التطوير لتزويد الموقع بكاشفات محدثة بهدف تقليص وقت المسح الكلي إلى أقل من 30 دقيقة. بالإضافة إلى مواد المفاعلات، يستغل العلماء النظام لدراسة وسائط الترشيح المسامية المستخدمة في معالجة المياه البيئية وتقييم التغيرات داخل البطاريات أثناء دورة الشحن.

تحسين كفاءة اختبار المواد النووية وآفاق التطبيق

مع تقدم تقنية اختبار المواد النووية، تم تقليص وقت الاختبار بشكل كبير إلى ست ساعات، مما يعد أمرًا بالغ الأهمية لسلامة وكفاءة صناعة الطاقة النووية. إن تعددية استخدامات النظام الجديد تتيح للباحثين الحصول على بيانات متعددة في وقت واحد، مما يعزز دقة الاختبار ويقلل من وقت معالجة العينة المطلوب. ومع تطور التقنية بشكل أكبر، من المتوقع أن يتم تقليص وقت المسح إلى 30 دقيقة، مما سيفتح المزيد من الاحتمالات لتقييم المواد النووية بسرعة وبحوث بيئية، مما سيدفع قدماً بتطور الطاقة النووية والتقنيات ذات الصلة.