- Das neue optische Sensorsystem kann akustische Signale über 100 kHz detektieren.
- Das System zielt darauf ab, Risse und Korrosion in Kernbrennstofflagertanks zu überwachen.
- Das Forschungsteam arbeitet mit mehreren Laboren zusammen und sucht nach weiteren Mitteln zur Förderung der Anwendung.
- Die Tests konnten die langfristige Leistung des Systems unter nuklearen Lagerbedingungen nicht bestätigen.
Die Forscher der University of Pittsburgh haben ein optisches Sensorsystem vorgestellt, das akustische Signale über 100 Kilohertz (kHz) detektieren kann, was etwa dem Fünffachen der Frequenz traditioneller Systeme entspricht. Ziel ist es, Risse und Korrosion in Kernbrennstofflagertanks zu überwachen. Das System wurde in Zusammenarbeit mit dem in Pittsburgh ansässigen Start-up Sensible Photonics entwickelt und im September im Idaho National Laboratory (INL) vor Ort getestet. Die Forscher verwendeten simulierte Kernbrennstofftanks, um zu prüfen, ob der Sensor Vibrationen erkennen und deren Quelle lokalisieren kann. Die Technologie soll zur Überwachung von Stahlbehältern für abgebrannten Brennstoff eingesetzt werden und könnte schließlich an bestehenden Lagertanks nachgerüstet werden, um den Betreibern zu ermöglichen, relevante akustische Signale zu erkennen, bevor Risse die Integrität des Behälters beeinträchtigen.
Die Forscher führten vom 8. bis 11. September Tests durch, um die Empfindlichkeit des Systems mit verschiedenen Sensoranordnungen zu bewerten. Diese Demonstration markiert den Abschluss der ersten Phase des Projekts, das von der US-Energiebehörde gefördert wird. Abgebrannter Brennstoff wird normalerweise im Wasser gekühlt und dann in Stahlbehältern versiegelt, die von einem Betonkern umgeben sind. Diese Behälter können in nuklearen Einrichtungen über Jahrzehnte gelagert werden. Obwohl der Brennstoff aus dem Reaktor entfernt wurde, erzeugt er weiterhin Wärme. Daher verfügen die Lagertanks über Lüftungsöffnungen, die zur Wärmeableitung beitragen. In Küstenregionen können salzhaltige Luft durch diese Lüftungsöffnungen eindringen und die Korrosion der Stahlbehälter beschleunigen.
Im Laufe der Zeit kann Korrosion zu Rissen führen, die die strukturelle Integrität gefährden.
Anwendung und Test des optischen Systems
Die Forscher haben ein optisches System entwickelt, um akustische Emissionen zu detektieren, also kleine Vibrationen, die auftreten, wenn Materialien sich verändern (z. B. bei Rissen). Khurram Naeem, Forschungsassistent Professor an der University of Pittsburgh und technischer Leiter dieser Demonstration, erklärte: „Die Leute denken oft, dass optische Fasern nur für schnellere Internetgeschwindigkeiten verwendet werden, aber sie können auch zur kontinuierlichen Überwachung von allem, von Brücken über Batterien bis hin zu nuklearem Abfall, eingesetzt werden.“ Laut Naeem kann das System Signale über 100 kHz detektieren, während die meisten traditionellen Systeme, die er erwähnt, eine Fähigkeit von 20 kHz haben.
Die höhere Detektionsfrequenz ist eine technische Fähigkeit und kein Beweis dafür, dass das System Risse früher oder genauer erkennen kann.
Bei der Demonstration im INL installierten die Forscher optische Fasern an der Außenseite eines simulierten Kernbrennstofftanks und testeten verschiedene Anordnungen zur Messung akustischer Vibrationen. Sie führten auch Tests mit gebrochenen Bleistiften durch, eine Standardtechnik zur Erzeugung wiederholbarer akustischer Signale, die Emissionen simulieren, die mit Materialschäden verbunden sind. Naeem sagte: „Durch eine Reihe von Bleistiftbruchtests haben wir gezeigt, dass diese Technologie in der Lage ist, Geräusche zu erkennen und deren Quelle zu finden.“ Das Team bewertete auch Methoden zur Anbringung von Sensoren an den Lagertanks, mit dem Ziel, Installationen zu entwickeln, die unter hohen Temperaturen und hohen Strahlungsbedingungen über Jahre hinweg bestehen bleiben können.
Zuverlässigkeit des Systems muss noch bestätigt werden
Die Tests konnten jedoch nicht bestätigen, dass das System zuverlässig tatsächliche Korrosion oder Risse in laufenden Kernbrennstofflagertanks identifizieren kann, und seine langfristige Leistung unter nuklearen Lagerbedingungen muss weiter nachgewiesen werden.
Das Projekt umfasst Forscher des Swanson School of Engineering der University of Pittsburgh und das Start-up Sensible Photonics, das von Professor Paul Ohodnicki aus Pittsburgh mitbegründet wurde. Die Forscher arbeiten auch mit Wissenschaftlern des INL, des Oak Ridge National Laboratory und des Pacific Northwest National Laboratory zusammen. Das Team sucht nach weiteren Mitteln, um die Haltbarkeit und Stabilität des Systems zu bewerten und seine potenziellen kommerziellen Anwendungen in nuklearen Lagereinrichtungen voranzutreiben.
Element Spezifikation Detektionsfrequenz Über 100 kHz Fähigkeit traditioneller Systeme 20 kHz
Potenzial der optischen Sensortechnologie für die nukleare Sicherheit
Die Entwicklung des optischen Sensorsystems stellt einen wichtigen Fortschritt in der Technologie zur Überwachung der Sicherheit von Kernbrennstofflagern dar. Mit dem Altern der Kernbrennstofflagertanks steigt das Risiko von Korrosion und Rissen, und diese Technologie kann potenzielle Probleme frühzeitig erkennen, um die nukleare Sicherheit zu erhöhen. Obwohl die aktuellen Tests die Zuverlässigkeit des Systems im praktischen Betrieb noch nicht bestätigt haben, zeigt die hohe Frequenzdetektionsfähigkeit Potenzial für zukünftige Anwendungen. Mit weiterer Forschung und finanzieller Unterstützung könnte diese Technologie ein wichtiges Werkzeug für das Sicherheitsmanagement in nuklearen Einrichtungen werden.