- เทคโนโลยีใหม่ลดเวลาทดสอบวัสดุรีแอกเตอร์นิวเคลียร์เหลือประมาณ 6 ชั่วโมง
- ระบบใหม่สามารถสังเกตการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ การเรียงตัวของธาตุ และการจัดเรียงอะตอมได้พร้อมกัน
- โหมดการสแกน 4 แบบสามารถบันทึกลักษณะทางกายภาพที่แตกต่างกันได้พร้อมกัน
- นักวิจัยวางแผนที่จะลดเวลาการสแกนให้เหลือไม่เกิน 30 นาที
ด้วยการเริ่มใช้สถานีทดสอบรังสีเอกซ์แบบรวมเข้าด้วยกัน การประเมินวัสดุสำหรับรีแอกเตอร์นิวเคลียร์รุ่นต่อไปได้ลดเวลาลงเหลือเพียงประมาณ 6 ชั่วโมง แทนที่จะใช้เวลาหลายวันตามเดิม ระบบนี้พร้อมกับข้อมูลประสิทธิภาพได้รับการอธิบายอย่างละเอียดในวารสาร "Journal of Synchrotron Radiation" วิศวกรได้นำการตั้งค่านี้มาปรับใช้ที่สายรังสีกระจายแบบผงของรังสีเอกซ์ (X-ray Powder Diffraction Beamline) ของแล็บพลาสมาและซินโครตรอนแห่งชาติ II ที่หลักสถานีบรูกเฮเว่น (Brookhaven National Laboratory) อุปกรณ์นี้รวม 4 โหมดการสแกนโทโมกราฟีคอมพิวเตอร์ (CT) เข้าด้วยกันในการทดสอบเพียงรอบเดียว ดังนั้น นักวิจัยสามารถสังเกตการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ การเรียงตัวของธาตุ และการจัดเรียงอะตอมของวัตถุได้พร้อมกัน โดยไม่ต้องตัดแยกหรือทำลายวัสดุตัวอย่าง
ชิ้นส่วนนิวเคลียร์ต้องคงสภาพความสมบูรณ์ในสภาวะการทำงานที่หนักหน่วงเป็นเวลาหลายทศวรรษ สนามรังสีที่สูง ความเครียดทางกล และการกัดกร่อนทางเคมีจะทำให้ธาตุเชื้อเพลิงและภาชนะเริ่มเสื่อมสภาพ การเข้าใจการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในโครงสร้างระดับจุลภาคเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับวิศวกรก่อนที่จะรับรองการออกแบบรีแอกเตอร์ใหม่
ความสามารถในการทดสอบของเทคโนโลยีใหม่
โทโมกราฟีคอมพิวเตอร์ (CT) สามารถสร้างภาพสามมิติของโครงสร้างภายในโดยไม่ต้องตัดแยกวัสดุตัวอย่าง อย่างไรก็ตาม ในอดีต การได้ภาพวิเคราะห์ที่สมบูรณ์ต้องให้ผู้ปฏิบัติงานย้ายตัวอย่างไปยังหลายเครื่องมือทดสอบต่างกันเพื่อทำการทดสอบแยกต่างหาก ความไม่สะดวกในการดำเนินงานนี้ทำให้การทดสอบยาวนานถึงหลายวัน และยากที่จะตรวจสอบพื้นที่ที่เหมือนกันในเงื่อนไขการทดสอบที่แตกต่างกัน สถานีใหม่แก้ไขปัญหานี้ด้วยการจัดเก็บรังสีเอกซ์แบบ "แข็ง" หรือพลังงานสูงเป็นแสงแผ่นเล็กที่มีความกว้างเพียง 15 ไมโครเมตร ซึ่งเท่ากับหนึ่งในสี่ของความหนาของผม แสงเอกซ์แบบ "แข็ง" มีความสามารถในการทะลุทะลวงวัสดุหนาแน่นและหนัก ได้แก่ เหล็กกล้าสำหรับโครงสร้างรีแอกเตอร์ และเชื้อเพลิงแอกทินอยด์ที่เป็นรังสี เช่น ยูเรเนียม
แสงแผ่นเล็กให้ความสามารถในการวัดพื้นที่ที่มีความเรียบร้อยสูงและพื้นที่ที่ไม่เรียบร้อยภายในตัวอย่างเดียว
ในรอบการทดสอบ อุปกรณ์สามารถบันทึกลักษณะทางกายภาพที่แตกต่างกันได้พร้อมกันโดยใช้ 4 โหมดการสแกน การสแกน CT ด้วยรังสีเอกซ์บันทึกการเปลี่ยนแปลงของความหนาแน่นในตัวอย่าง เปิดเผยการสร้างช่องว่าง รอยแตก และช่องว่างภายใน ในขณะเดียวกัน การสแกน CT ด้วยรังสีเอกซ์ฟลูออเรสเซนซ์ (X-ray Fluorescence CT) ติดตามลักษณะของธาตุและแสดงตำแหน่งของธาตุเคมีที่ระบุในปริมาตรตัวอย่าง การสแกน CT ด้วยรังสีเอกซ์ดิฟแรกชัน (X-ray Diffraction CT) ตั้งเป้าที่พื้นที่แบบเรียบร้อยในชิ้นส่วน และวัดรูปแบบทางเรขาคณิตของการจัดเรียงอะตอมภายใน โดยการสแกน CT ด้วยฟังก์ชันการแจกแจงคู่ (Paired Distribution Function CT) วิเคราะห์พื้นที่ที่ไม่เรียบร้อยแบบไม่มีการจัดเรียงอะตอม และอธิบายโครงสร้างระดับอะตอมที่ขาดรูปแบบเรียบร้อยอย่างละเอียด
นาย Simerjeet Gill รองผู้อำนวยการด้านนิวเคลียร์และความมั่นคงทางนิวเคลียร์ของบรูกเฮเว่น และผู้เขียนร่วมของเอกสารใหม่กล่าวว่า "ด้วยการทำการทดสอบทั้ง 4 เทคนิคพร้อมกัน เราสามารถระบุตำแหน่งที่เกิดการเปลี่ยนแปลงเคมีได้อย่างแม่นยำ และเชื่อมโยงกับการเปลี่ยนแปลงของความแข็งแรงและความเปราะบางของวัสดุ ความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้าง-การเรียบร้อย-คุณสมบัติเป็นสิ่งที่เราต้องการเข้าใจในการศึกษาวัสดุนิวเคลียร์"
ทิศทางการพัฒนาสู่อนาคต
เพื่อพิสูจน์ความสามารถของสถานี วิศวกรสร้างตัวอย่างการประเมินที่รวมเส้นโลหะที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางและส่วนผสมเคมีที่แตกต่างกัน การทดสอบพิสูจน์ว่าสถานีสามารถบันทึกตำแหน่งของอะตอม การแจกแจงของธาตุ และขอบเขตทางกายภาพได้พร้อมกันในระยะเวลา 6 ชั่วโมง การพัฒนากำลังดำเนินไปเพื่อจัดเตรียมเครื่องตรวจจับใหม่ โดยมีเป้าหมายที่จะลดเวลาการสแกนให้เหลือไม่เกิน 30 นาที นอกจากวัสดุรีแอกเตอร์แล้ว นักวิทยาศาสตร์ยังใช้ระบบนี้ศึกษาสื่อกรองช่องโลหะใช้ในการรับการชะล้างทางสิ่งแวดล้อม และประเมินการเปลี่ยนแปลงภายในของแบตเตอรี่ในระหว่างการชาร์จ
การเพิ่มประสิทธิภาพและแนวทางการใช้งานในการทดสอบวัสดุนิวเคลียร์
การพัฒนาการทดสอบวัสดุรีแอกเตอร์ได้ทำให้เวลาทดสอบลดลงอย่างมากเหลือเพียง 6 ชั่วโมง ซึ่งมีความสำคัญต่อความปลอดภัยและประสิทธิภาพของอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ �ความหลากหลายของระบบใหม่ทำให้นักวิจัยสามารถรับรู้ข้อมูลหลายประเภทพร้อมกัน ซึ่งไม่เพียงเพิ่มความแม่นยำในการทดสอบ แต่ยังลดเวลาการดำเนินงานตัวอย่างที่จำเป็น ด้วยการพัฒนาของเทคโนโลยีต่อไป อนาคตที่จะลดเวลาการสแกนให้เหลือเพียง 30 นาทีนั้นเป็นไปได้ นอกจากนี้ จะเปิดโอกาช่องให้การประเมินรวดเร็วและการศึกษาสิ่งแวดล้อมของวัสดุนิวเคลียร์ และยังผลักดันให้การพัฒนาอุตสาหกรรมนิวเคลียร์และเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องต่อไป