- สถาบันพอลชีร์ร์สวิสใช้เทคโนโลยีเอ็กซ์เรย์รุ่นใหม่ตรวจสอบการกัดกร่อนของหุ้มเชื้อเพลิงนิวเคลียร์
- การวิจัยแสดงว่าวัสดุหุ้มยังคงรักษาความแน่นและฟังก์ชันป้องกันได้แม้หลังใช้งานหลายปี
- เทคโนโลยีใหม่ช่วยปรับปรุงเคมีน้ำของเรacteurและปรับแต่งคุณสมบัติวัสดุได้
- ผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร "Advanced Engineering Materials"
นักวิจัยของสถาบันพอลชีร์ร์สวิส (Paul Scherrer Institute, PSI) ใช้เทคโนโลยีการถ่ายภาพเอ็กซ์เรย์รุ่นใหม่ทำการตรวจสอบสามมิติสภาพการกัดกร่อนภายในวัสดุหุ้มเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ สามารถระบุรูรูขนาดเล็กถึง 80 นาโนเมตรได้ การศึกษานี้สำรวจว่าชั้นป้องกันรอบเชื้อเพลิงยังคงมีประสิทธิภาพหรือไม่หลังสัมผัสน้ำทำความเย็นและรังสีเป็นเวลาหลายปี ทีมวิจัยใช้ตัวอย่างท่อหุ้มจากการดำเนินงานโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ และใช้แหล่งแสงสวิส (Swiss Light Source) ของ PSI ในการทำแผนที่โครงสร้างภายใน ผลลัพธ์แสดงว่าท่อเหล่านี้ยังคงรักษาความแน่นตลอดระยะบริการ และการวัดแสดงว่าชั้นออกไซด์ป้องกันยังคงทำงานได้ต่อเนื่อง
ข้อค้นพบเหล่านี้ช่วยให้สามารถประเมินความปลอดภัยของเชื้อเพลิงได้ และตรวจสอบว่าการทดสอบการกัดกร่อนในห้องปฏิบัติการแบบดั้งเดิมสะท้อนสภาพวัสดุภายใต้เงื่อนไขเรacteurได้แม่นยำเพียงใด ประกาศไม่ได้ระบุเวลาที่ทำการทดลองโดยเฉพาะเจาะจง
การตรวจสอบการกัดกร่อนของวัสดุหุ้ม
วัสดุหุ้มเชื้อเพลิงต้องรักษาความแน่นตลอดการดำเนินงานของเรacteur แม้สภาพแวดล้อมอาจก่อให้เกิดการกัดกร่อน ดังนั้นนักวิจัยจึงต้องเข้าใจอัตราการสร้างชั้นกัดกร่อนและรูรูของมัน ท่อหุ้มเหล่านี้มักประกอบด้วยสังกะสี (zirconium) มากกว่า 98% พร้อมกับการเติมโลหะอื่นๆ ในปริมาณน้อยเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติ วัสดุหุ้มห่อถุงเชื้อเพลิงยูरेเนียมไดออกไซด์ที่ซ้อนกัน ซึ่งรวมกันเป็นเชื้อเพลิงสำหรับเรacteurนิวเคลียร์ การศึกษานี้รวมศูนย์วิจัยสามแห่งภายใน PSI ครอบคลุมวิศวกรรมนิวเคลียร์ วิทยาศาสตร์โฟตอน และวิทยาศาสตร์นิวตรอนและมิวออน ในห้องปฏิบัติการร้อนของสถาบัน บุคลากรใช้เลื่อยความแม่นยำสูงตัดชิ้นบางของท่อหุ้มเชื้อเพลิงที่ใช้งานแล้วในห้องร้อนกันรังสี แล้วนำไปประมวลผลด้วยลำแสงไอโอนโฟกัสให้เป็นรูปทรงกระบอก
ตัวอย่างมาจากชั้นออกไซด์สังกะสีที่เกิดขึ้นบนผิวท่อหุ้มระหว่างการดำเนินงาน
ผู้เขียนหลัก โอกาน เยติค (Okan Yeti̇k) กล่าวว่า: "ในที่สุด กระบอกสังกะสีออกไซด์ขนาดเล็กของเรามีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 20 ไมโครเมตร เกือบมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า ขนาดเส้นผมมนุษย์หนาเป็นสามถึงสี่เท่าของมัน" ตัวอย่างขนาดเล็กเหล่านี้ทำให้การปล่อยรังสีอยู่ในระดับพอสมควรพอที่จะตรวจสอบได้นอกห้องร้อนกันรังสีเฉพาะทาง ทีมวิจัยใช้เทคโนโลยีการถ่ายภาพทอมอกราฟีเอ็กซ์เรย์คำนวณแบบคอนทราสต์เฟส (ptychographic X-ray computed tomography, PXCT) ที่พัฒนาขึ้นที่แหล่งแสงสวิส (Swiss Light Source) ของ PSI ในการตรวจสอบกระบอกเหล่านี้
ลำแสงเอ็กซ์เรย์สแกนตัวอย่างทีละจุดจากมุมต่างๆ สร้างภาพสามมิติความละเอียดสูงของโครงสร้างภายใน ผู้ร่วมเขียน แอนเดรอัส เมนเซล (Andreas Menzel) 指出: "เราสามารถระบุรูรูขนาดเล็กถึง 80 นาโนเมตรได้" การวัดยังแสดงว่าชั้นออกไซด์ยังคงรักษาฟังก์ชันป้องกันได้หลังใช้งานระยะยาว นักวิจัยของ PSI ลิลิอาน่า ดูอาร์เต้ (Liliana Duarte) กล่าวว่า: "การวัดที่ทำที่ SLS แสดงว่าชั้นออกไซด์ป้องกันบนท่อหุ้มยังคงสมบูรณ์ และยังคงทำหน้าที่ได้หลังใช้งานหลายปี"
ศักยภาพการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีใหม่
นักวิจัยเปรียบเทียบวัสดุที่ใช้งานแล้วกับตัวอย่างหุ้มที่ไม่ได้รับรังสี ซึ่งสัมผัสน้ำภายในความดันสูง อุณหภูมิสูง และออโตคลีฟ (autoclave) ความหนาแน่นของตัวอย่างจากเรacteurใกล้เคียงกับวัสดุจากออโตคลีฟเกือบจะเหมือนกัน ซึ่งยืนยันคุณค่าของการทดสอบการกัดกร่อนมาตรฐาน หมายความว่านักวิจัยไม่จำเป็นต้องใช้วัสดุหุ้มที่ใช้งานแล้วในการสืบสวนทุกครั้ง ข้อค้นพบเหล่านี้ยังช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานปรับปรุงเคมีน้ำของเรacteur และช่วยให้ผู้ผลิตปรับแต่งโลหะผสมและการประมวลผลความร้อนได้ เทคโนโลยีนี้เปิดโอกาสให้การตรวจสอบรายละเอียดแบบเดียวกันเป็นไปได้สำหรับเรacteurโมดูลาร์ขนาดเล็ก (small modular reactors) และเรacteurนิวเคลียร์ฟิวชัน (nuclear fusion reactors)
นักวิจัยได้ตีพิมพ์ผลการค้นพบของพวกเขาในวารสาร "Advanced Engineering Materials"
ผลกระทบของเทคโนโลยีเอ็กซ์เรย์รุ่นใหม่ต่อความปลอดภัยนิวเคลียร์
การใช้เทคโนโลยีการถ่ายภาพเอ็กซ์เรย์รุ่นใหม่ในการตรวจสอบการกัดกร่อนของหุ้มเชื้อเพลิงนิวเคลียร์มีความสำคัญต่อความปลอดภัยนิวเคลียร์อย่างยิ่ง การวิจัยนี้ไม่เพียงแต่ยืนยันประสิทธิภาพของวัสดุหุ้ม แต่ยังให้วิธีการใหม่ในการประเมินความปลอดภัยของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ด้วยความต้องการพลังงานนิวเคลียร์ที่เพิ่มขึ้น การטיחการดำเนินงานของเรacteurอย่างปลอดภัยจึงกลายเป็นสิ่งสำคัญยิ่งขึ้น ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าการทดสอบการกัดกร่อนแบบดั้งเดิมอาจไม่เพียงพอที่จะสะท้อนสภาพจริง ซึ่งกระตุ้นให้อุตสาหกรรมพิจารณามาตรฐานการตรวจสอบวัสดุใหม่ อีกทั้งศักยภาพการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีนี้ไม่ได้จำกัดอยู่ที่เรacteurที่มีอยู่แล้วเท่านั้น ยังสามารถขยายไปสู่เรacteurโมดูลาร์ขนาดเล็กและเรacteurนิวเคลียร์ฟิวชัน ได้ ซึ่งปูทางสำหรับการพัฒนาพลังงานนิวเคลียร์ในอนาคต