جامعة بيتسبرغ تطور نظام استشعار ضوئي جديد يمكنه اكتشاف اهتزازات خزانات تخزين الوقود النووي

عرض الباحثون في جامعة بيتسبرغ نظام استشعار ضوئي قادر على اكتشاف إشارات صوتية تتجاوز 100 كيلو هرتز (kHz)، بتردد يقارب خمسة أضعاف الأنظمة التقليدية، وذلك بهدف مراقبة الشقوق والتآكل في خزانات تخزين الوقود النووي. تم تطوير النظام بالتعاون مع شركة Sensible Photonics الناشئة في بيتسبرغ، وتم إجراء اختبارات ميدانية في سبتمبر في مختبر إيداهو الوطني (INL). استخدم الباحثون خزانات وقود نووي محاكية لاختبار ما إذا كان المستشعر يمكنه اكتشاف الاهتزازات وتحديد مصدرها. تهدف التقنية إلى مراقبة خزانات الصلب التي تخزن الوقود المستهلك، ويمكن تعديلها في النهاية لتناسب خزانات التخزين الحالية، مما يسمح للمشغلين بالكشف عن الإشارات الصوتية ذات الصلة قبل أن تؤثر الشقوق على سلامة الحاوية.

أجرى الباحثون الاختبارات من 8 إلى 11 سبتمبر، باستخدام تكوينات مختلفة للمستشعرات لتقييم حساسية النظام. يمثل هذا العرض إكمال المرحلة الأولى من المشروع، وقد حصل على تمويل من وزارة الطاقة الأمريكية. عادةً ما يتم تبريد الوقود المستهلك في الماء، ثم يتم ختمه داخل خزانات فولاذية، محاطة بخزانات تخزين مصنوعة من الخرسانة. يمكن أن تبقى هذه الحاويات في المنشآت النووية لعشرات السنين. على الرغم من إزالة الوقود من المفاعل، إلا أنه لا يزال ينتج حرارة. لذلك، تشمل خزانات التخزين فتحات تهوية تساعد في تبديد الحرارة. في المنشآت النووية الساحلية، قد يدخل الهواء المالح من خلال هذه الفتحات، مما يسرع من تآكل خزانات الصلب.

مع مرور الوقت، قد يؤدي التآكل إلى حدوث شقوق، مما يهدد سلامتها الهيكلية.

تطبيقات واختبارات النظام الضوئي

طور الباحثون نظاماً ضوئياً لاكتشاف الانبعاثات الصوتية، أي الاهتزازات الصغيرة التي تحدث عندما يتغير المادة (مثل الشقوق). قال Khurram Naeem، أستاذ مساعد في جامعة بيتسبرغ والمسؤول عن التقنية المعروضة: "غالباً ما يفكر الناس في الألياف الضوئية كوسيلة لتوفير سرعات إنترنت أسرع، لكنها يمكن أن تستخدم لمراقبة مستمرة لمجموعة متنوعة من الأشياء، من الجسور إلى البطاريات وصولاً إلى النفايات النووية." وفقاً لـ Naeem، يمكن للنظام اكتشاف إشارات تتجاوز 100 kHz، بينما قدرة معظم الأنظمة التقليدية التي ذكرها هي 20 kHz.

التردد العالي للاكتشاف هو قدرة تقنية، وليس دليلاً على أن النظام يمكنه اكتشاف الشقوق في وقت أبكر أو بدقة أكبر.

في العرض الذي تم في INL، قام الباحثون بتركيب الألياف الضوئية على السطح الخارجي لخزانات الوقود النووي المحاكية، واختبروا عدة ترتيبات لقياس الاهتزازات الصوتية. كما أجروا اختبارات كسر قلم رصاص، وهي تقنية قياسية تستخدم لتوليد إشارات صوتية قابلة للتكرار، تحاكي الانبعاثات المرتبطة بتلف المواد. قال Naeem: "من خلال سلسلة من اختبارات كسر قلم الرصاص، أظهرنا أن هذه التقنية قادرة على اكتشاف الصوت وتحديد مصدره." كما قام الفريق بتقييم طرق تثبيت المستشعرات على خزانات التخزين، بهدف تطوير تركيبات يمكن أن تستمر لسنوات في ظروف درجات حرارة عالية وإشعاع.

موثوقية النظام لا تزال بحاجة إلى التحقق

ومع ذلك، لم تؤكد الاختبارات أن النظام يمكنه التعرف بشكل موثوق على التآكل أو الشقوق الفعلية داخل خزانات الوقود النووي أثناء التشغيل، ولا يزال الأداء على المدى الطويل في ظروف التخزين النووي بحاجة إلى مزيد من الإثبات.

يشمل المشروع باحثين من كلية الهندسة في بيتسبرغ، بالإضافة إلى شركة Sensible Photonics التي أسسها البروفيسور Paul Ohodnicki من بيتسبرغ. كما تعاون الباحثون مع علماء من INL ومختبر أوك ريدج الوطني ومختبر المحيط الهادئ الشمالي الغربي. يسعى الفريق للحصول على تمويل إضافي لتقييم متانة النظام واستقراره، ودفع تطبيقاته التجارية المحتملة في مرافق التخزين النووي.