มหาวิทยาลัยพิตส์เบิร์กพัฒนาระบบเซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติกใหม่ สามารถตรวจจับการสั่นสะเทือนของถังเก็บเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยพิตส์เบิร์กได้นำเสนอระบบเซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติกที่สามารถตรวจจับสัญญาณเสียงที่มีความถี่เกิน 100 กิโลเฮิร์ตซ์ (kHz) ซึ่งมีความถี่ประมาณห้าครั้งของระบบแบบดั้งเดิม โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อเฝ้าติดตามรอยแตกและการกัดกร่อนของถังเก็บเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ระบบนี้พัฒนาร่วมกับบริษัทสตาร์ทอัพ Sensible Photonics ในเมืองพิตส์เบิร์ก และได้มีการทดสอบในสถานที่จริงที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติไอดาโฮ (INL) ในเดือนกันยายน นักวิจัยได้ใช้ถังเก็บเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จำลองเพื่อตรวจสอบว่าเซ็นเซอร์สามารถตรวจจับการสั่นสะเทือนและระบุแหล่งที่มาของมันได้หรือไม่ เทคโนโลยีนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อเฝ้าติดตามถังเหล็กที่เก็บเชื้อเพลิงใช้แล้ว ซึ่งในที่สุดสามารถติดตั้งกับถังเก็บที่มีอยู่ เพื่อให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถตรวจจับสัญญาณเสียงที่เกี่ยวข้องก่อนที่รอยแตกจะส่งผลกระทบต่อความสมบูรณ์ของถัง

นักวิจัยได้ทำการทดสอบระหว่างวันที่ 8 ถึง 11 กันยายน โดยใช้การจัดเรียงเซ็นเซอร์ที่แตกต่างกันเพื่อตรวจสอบความไวของระบบ การนำเสนอครั้งนี้ถือเป็นการเสร็จสิ้นขั้นตอนแรกของโครงการ และได้รับการสนับสนุนจากกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ เชื้อเพลิงใช้แล้วมักจะถูกทำให้เย็นในน้ำ จากนั้นจึงถูกปิดผนึกในถังเหล็กที่หุ้มด้วยถังเก็บคอนกรีต ซึ่งสามารถเก็บรักษาได้ในสถานที่นิวเคลียร์เป็นเวลาหลายสิบปี แม้ว่าเชื้อเพลิงจะถูกนำออกจากเตาปฏิกรณ์แล้ว แต่ยังคงมีการผลิตความร้อน ดังนั้นถังเก็บจึงมีช่องระบายอากาศเพื่อช่วยในการระบายความร้อน ในสถานที่นิวเคลียร์ที่อยู่ใกล้ชายฝั่ง อากาศเค็มอาจเข้าสู่ถังผ่านช่องระบายอากาศเหล่านี้และเร่งการกัดกร่อนของถังเหล็ก

เมื่อเวลาผ่านไป การกัดกร่อนอาจทำให้เกิดรอยแตก ซึ่งเป็นภัยคุกคามต่อความสมบูรณ์ของโครงสร้าง

การใช้งานและการทดสอบระบบเซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติก

นักวิจัยได้พัฒนาระบบเซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติกเพื่อตรวจจับการปล่อยเสียง ซึ่งเป็นการสั่นสะเทือนเล็กน้อยที่เกิดขึ้นเมื่อวัสดุมีการเปลี่ยนแปลง (เช่น การแตก) ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านการวิจัยจากพิตส์เบิร์กและหัวหน้าทีมเทคนิคในการนำเสนอ Khurram Naeem กล่าวว่า "ผู้คนมักจะนึกถึงไฟเบอร์ออปติกว่าเป็นการให้บริการอินเทอร์เน็ตที่เร็วขึ้น แต่จริงๆ แล้วมันสามารถใช้ในการเฝ้าติดตามสิ่งต่างๆ ตั้งแต่สะพานไปจนถึงแบตเตอรี่และขยะนิวเคลียร์" ตามที่ Naeem กล่าว ระบบนี้สามารถตรวจจับสัญญาณที่มีความถี่เกิน 100 kHz ในขณะที่ความสามารถของระบบแบบดั้งเดิมที่เขากล่าวถึงส่วนใหญ่จะอยู่ที่ 20 kHz

ความถี่ในการตรวจจับที่สูงขึ้นเป็นความสามารถทางเทคนิค ไม่ได้หมายความว่าระบบสามารถตรวจจับรอยแตกได้เร็วขึ้นหรือแม่นยำมากขึ้น

ในการนำเสนอที่ INL นักวิจัยได้ติดตั้งไฟเบอร์ออปติกที่ด้านนอกของถังเก็บเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จำลอง และทดสอบการจัดเรียงหลายแบบเพื่อตรวจวัดการสั่นสะเทือนทางเสียง พวกเขายังได้ทำการทดสอบการแตกของดินสอ ซึ่งเป็นเทคนิคมาตรฐานที่ใช้ในการสร้างสัญญาณเสียงที่สามารถทำซ้ำได้ เพื่อจำลองการปล่อยเสียงที่เกี่ยวข้องกับความเสียหายของวัสดุ Naeem กล่าวว่า "ผ่านการทดสอบการแตกของดินสอหลายชุด เราได้แสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีนี้สามารถตรวจจับเสียงและหาที่มาของมันได้" ทีมงานยังได้ประเมินวิธีการติดตั้งเซ็นเซอร์กับถังเก็บ โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนาอุปกรณ์ที่สามารถอยู่รอดได้หลายปีในสภาพอุณหภูมิสูงและรังสีสูง

ความน่าเชื่อถือของระบบยังต้องได้รับการตรวจสอบ

อย่างไรก็ตาม การทดสอบไม่สามารถยืนยันได้ว่าระบบสามารถระบุการกัดกร่อนหรือรอยแตกที่เกิดขึ้นจริงภายในถังเก็บเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่กำลังทำงานได้อย่างเชื่อถือได้ และประสิทธิภาพในสภาพการเก็บรักษานิวเคลียร์ในระยะยาวยังต้องได้รับการพิสูจน์เพิ่มเติม

โครงการนี้เกี่ยวข้องกับนักวิจัยจากวิทยาลัยวิศวกรรม Swanson ของมหาวิทยาลัยพิตส์เบิร์ก และบริษัทสตาร์ทอัพ Sensible Photonics ที่ร่วมก่อตั้งโดยศาสตราจารย์ Paul Ohodnicki จากมหาวิทยาลัยพิตส์เบิร์ก นักวิจัยยังได้ร่วมมือกับนักวิทยาศาสตร์จาก INL, Oak Ridge National Laboratory และ Pacific Northwest National Laboratory ทีมงานกำลังมองหาทุนเพิ่มเติมเพื่อประเมินความทนทานและเสถียรภาพของระบบ และพัฒนาการใช้งานเชิงพาณิชย์ที่มีศักยภาพในสถานที่เก็บรักษานิวเคลียร์