米国の新技術が原子炉材料の試験時間を6時間に短縮

統合されたX線試験ステーションの稼働により、次世代原子炉に必要な材料の評価時間が数日ではなく約6時間に短縮された。このシステムとその性能データは『シンクロトロン放射ジャーナル』にて詳細に説明されている。エンジニアはこの装置をブルックヘブン国立研究所のX線粉末回折ビームラインに配備した。このビームラインは国家シンクロトロン光源 II に属している。この装置は4つの独立したコンピュータ断層撮影モードを単一の試験段階に統合した。これにより、研究者は物体の物理的形状、元素組成、原子配列を同時に観察でき、対象材料を切断したり損傷を与えることなくに行うことができる。

核部品は数十年にわたって厳しい運転圧力の下で完全性を維持しなければならない。高放射線場、機械的応力、高温、化学的腐食は徐々に燃料要素や容器を劣化させる。これらの微細構造の変化を理解することは、エンジニアが新しい原子炉設計を認証する前に必要なことである。

新技術の試験能力

コンピュータ断層撮影は、実体を切断することなく内部構造モデルの3Dビューを構築することができる。歴史的に、完全な分析画像を取得するためには、オペレーターがサンプルをいくつかの異なる機器に移して個別にテストする必要があった。この物流上の摩擦により、実験は数日間にわたって延長され、異なる試験条件下で完全に同じ領域を検査することは難しかった。新しいステーションはこの問題を、高エネルギーのまたは「ハード」なX線を幅わずか15マイクロメートルの狭いビームに集束させることで解決した。これは人間の髪の毛の太さの4分の1に相当する。ハードX線は、構造用原子炉鋼やウランのような放射性アクチノイド燃料を含む高密度の重い物質を貫通する能力を持っている。

狭いビームは、単一のサンプル内の高度に秩序化された領域と不規則な領域を測定するために必要な空間分解能を提供する。

試験サイクル中、機器の4つのイメージングモードが異なる物理的特徴を同時に記録することができる。X線吸収断層撮影はサンプル中の密度変化を記録し、内部空洞、亀裂、空隙の形成を明らかにする。一方、X線蛍光断層撮影は元素の特徴を追跡し、特定の化学元素がサンプル体積内の位置をマッピングする。X線回折断層撮影は秩序化された結晶領域を対象とし、内部原子格子の幾何学的パターンを測定する。ペア分布関数断層撮影は無秩序な非晶質領域を分析し、規則的な格子パターンの欠如した原子レベルの構造を詳細に記述する。

ブルックヘブン核科学・安全保障部の副部長であり、新しい論文の共同著者である Simerjeet Gill は次のように述べている。「この4つの技術を同時に行うことで、これらの化学変化が起こる場所を正確に特定し、材料の強度や脆さの変化と結びつけることができます。この構造-組成-性質の関係は、私たちが核材料を研究する際に理解したいことです。」

今後の開発方向

このステーションの能力を検証するために、研究者は異なる直径と化学組成の金属線と粉末を組み合わせた評価サンプルを作成した。試験により、このステーションが6時間以内に原子の位置、元素分布、物理的境界を同時に記録できることが証明された。現在、更新された検出器を装備するための開発作業が進められており、全体のスキャン時間を30分以内に短縮することを目指している。原子炉材料以外にも、科学者たちはこのシステムを利用して環境水処理用の多孔質ろ過媒体を研究し、充電サイクル中にバッテリー内部の変化を評価している。

核材料試験の効率向上と応用展望

核反応炉材料試験の技術の進歩により、試験時間が大幅に短縮され6時間となったことは、原子力産業の安全性と効率にとって非常に重要である。新システムの多様性により、研究者は同時にさまざまなデータを取得できるようになり、試験の正確性が向上しただけでなく、必要なサンプル処理時間も削減された。技術のさらなる発展により、スキャン時間を30分以内に短縮することが可能となり、核材料の迅速な評価や環境研究に新たな可能性を提供し、原子力および関連技術の更なる発展を推進するだろう。