Neue US-Technologie verkürzt Testzeit für Kernreaktormaterialien auf sechs Stunden

Mit der Inbetriebnahme einer integrierten Röntgen-Teststation wurde die Bewertungszeit für Materialien, die für die nächste Generation von Kernreaktoren benötigt werden, auf etwa sechs Stunden verkürzt, anstatt wie bisher mehrere Tage zu dauern. Das System und seine Leistungsdaten wurden im Journal of Synchrotron Radiation detailliert beschrieben. Ingenieure haben diese Einrichtung am Röntgenpulverbeugungsstrahlrohr des Brookhaven National Laboratory eingesetzt, das zum National Synchrotron Light Source II gehört. Die Anlage vereint vier unabhängige Computertomografiemodi in einer einzigen Testphase. Dadurch können Forscher gleichzeitig die physikalische Form, die Elementzusammensetzung und die Atomstruktur eines Objekts beobachten, ohne das Zielmaterial zerschneiden oder beschädigen zu müssen.

Kernkomponenten müssen unter strengen Betriebsbedingungen über Jahrzehnte hinweg intakt bleiben. Hohe Strahlungsfelder, mechanische Spannungen, hohe Temperaturen und chemische Korrosion schädigen allmählich die Brennelemente und Behälter. Das Verständnis dieser mikroskopischen Strukturveränderungen ist für Ingenieure unerlässlich, um neue Reaktordesigns zu zertifizieren.

Testfähigkeiten der neuen Technologie

Computertomografie ermöglicht es, dreidimensionale Ansichten von internen Strukturmustern zu erstellen, ohne dass eine physische Zerteilung erforderlich ist. Historisch gesehen erforderte das Erhalten vollständiger Analysebilder, dass die Proben von den Bedienern zu mehreren verschiedenen Instrumenten für individuelle Tests transportiert wurden. Diese logistische Reibung verlängerte die Experimente auf mehrere Tage und machte es schwierig, unter verschiedenen Testbedingungen genau die gleiche Region zu untersuchen. Der neue Standort löst dieses Problem, indem er hochenergetische oder "harte" Röntgenstrahlen auf einen nur 15 Mikrometer breiten schmalen Strahl fokussiert, was etwa einem Viertel der Dicke eines menschlichen Haares entspricht. Harte Röntgenstrahlen haben die Fähigkeit, dichte schwere Materialien zu durchdringen, einschließlich Strukturreaktorstahl und radioaktiver Aktinoidenbrennstoffe wie Uran.

Der schmale Strahl bietet die räumliche Auflösung, die zur Messung von hochgeordneten und unregelmäßigen Bereichen innerhalb einer einzelnen Probe erforderlich ist.

Während des Testzyklus können die vier Bildgebungsmodi des Instruments gleichzeitig verschiedene physikalische Eigenschaften aufzeichnen. Die Röntgenabsorptions-Computertomografie zeichnet Dichteänderungen in der Probe auf und enthüllt die Bildung interner Hohlräume, Risse und Poren. Gleichzeitig verfolgt die Röntgenfluoreszenz-Computertomografie die Elementmerkmale und kartiert die Position spezifischer chemischer Elemente im Probenvolumen. Die Röntgenbeugungs-Computertomografie zielt auf geordnete kristalline Bereiche ab und misst die geometrischen Muster der internen Atomgitter. Die Paarverteilungsfunktionstomografie analysiert ungeordnete amorphe Bereiche und beschreibt detailliert die atomare Struktur in Bereichen, die keine regelmäßigen Gittermuster aufweisen.

Simerjeet Gill, stellvertretender Direktor der Abteilung für Nukleare Wissenschaft und Sicherheit bei Brookhaven und Mitautor der neuen Arbeit, sagte: "Indem wir diese vier Techniken gleichzeitig durchführen, können wir genau bestimmen, wo diese chemischen Veränderungen stattfinden, und sie mit Veränderungen in der Materialfestigkeit und -sprödigkeit in Verbindung bringen. Diese Struktur-Zusammensetzung-Eigenschafts-Beziehung ist es, die wir bei der Untersuchung von Kernmaterialien verstehen wollen."

Zukünftige Entwicklungsrichtungen

Um die Fähigkeiten der Station zu validieren, erstellten die Forscher eine Bewertungsprobe, die Metalldrähte unterschiedlichen Durchmessers und chemischer Zusammensetzung mit Pulvern kombinierte. Die Tests zeigten, dass die Station in der Lage ist, innerhalb von sechs Stunden gleichzeitig Atompositionen, Elementverteilung und physikalische Grenzen aufzuzeichnen. Derzeit wird an der Entwicklung gearbeitet, um mit neueren Detektoren ausgestattet zu werden, mit dem Ziel, die gesamte Scanzeit auf unter 30 Minuten zu verkürzen. Neben Reaktormaterialien nutzen Wissenschaftler das System auch zur Untersuchung von porösen Filtermaterialien für die Umweltwasseraufbereitung und zur Bewertung von Veränderungen im Inneren von Batterien während des Ladezyklus.

Effizienzsteigerung und Anwendungsperspektiven der Kernmaterialtests

Mit dem Fortschritt der Testtechnologie für Kernreaktormaterialien wurde die Testzeit erheblich auf sechs Stunden verkürzt, was für die Sicherheit und Effizienz der Kernenergieindustrie von entscheidender Bedeutung ist. Die Vielseitigkeit des neuen Systems ermöglicht es den Forschern, gleichzeitig mehrere Daten zu erhalten, was nicht nur die Genauigkeit der Tests erhöht, sondern auch die erforderliche Probenhandhabungszeit reduziert. Mit der weiteren Entwicklung der Technologie wird es in Zukunft möglich sein, die Scanzeit auf 30 Minuten zu verkürzen, was neue Möglichkeiten für die schnelle Bewertung von Kernmaterialien und Umweltstudien bietet und die Entwicklung der Kernenergie und verwandter Technologien weiter vorantreibt.