匹兹堡大学研发新型光纤传感系统 可检测核燃料储存罐振动

匹兹堡大学的研究人员展示了一种光纤传感系统，能够检测超过 100 千赫（kHz）的声学信号，频率约为传统系统的五倍，此举旨在监测核燃料储存罐的裂缝和腐蚀。该系统与匹兹堡的初创公司 Sensible Photonics 共同开发，并于九月份在爱达荷国家实验室（INL）进行了现场测试。研究人员使用模拟核燃料罐测试传感器是否能够检测振动并定位其来源。该技术旨在监测存放乏燃料的钢制罐体，最终可改装到现有的储存罐上，让操作人员在裂缝影响容器的完整性之前检测到相关的声学信号。

研究人员于 9 月 8 日至 11 日进行了测试，使用不同的传感器配置来评估系统的灵敏度。此次展示标志着该项目第一阶段的完成，并获得了美国能源部的资助。乏燃料通常会在水中冷却，然后被密封在钢制罐体内，外圈包裹着混凝土储存罐。这些容器可以在核设施中存放数十年。尽管燃料已从反应堆中移除，但仍会产生热量。因此，储存罐包括通风口，有助于散热。在沿海的核设施中，咸潮空气可能通过这些通风口进入，并加速钢制罐体的腐蚀。

随着时间的推移，腐蚀可能导致裂缝，威胁其结构完整性。

光纤系统的应用与测试

研究人员开发了光纤系统来检测声学排放，即材料在发生变化（如开裂）时产生的小振动。匹兹堡的研究助理教授兼此次展示的技术负责人 Khurram Naeem 表示：“人们往往将光纤想到的是提供更快的互联网速度，但它可以用来持续监测从桥梁到电池再到核废料的各种事物。”根据 Naeem 的说法，该系统能检测到超过 100 kHz 的信号，而他所提到的大多数传统系统的能力为 20 kHz。

较高的检测频率是一项技术能力，而非证据表明该系统能在更早或更准确地检测到裂缝。

在 INL 的演示中，研究人员在模拟核燃料罐的外部安装了光纤，并测试了几种排列以测量声学振动。他们还进行了铅笔断裂测试，这是一种标准技术，用于产生可重复的声学信号，模拟与材料损坏相关的排放。Naeem 表示：“通过一系列的铅笔断裂测试，我们展示了这项技术能够检测声音并找到来源。”团队还评估了将传感器附加到储存罐的方法，旨在开发能够在高温和高辐射条件下持续存在多年的安装。

系统可靠性仍需验证

然而，测试未能确认该系统能可靠地识别运行中的核燃料储存罐内的实际腐蚀或裂缝，其在核储存条件下的长期表现仍需进一步证明。

该项目涉及来自匹兹堡斯旺森工程学院的研究人员和由匹兹堡教授 Paul Ohodnicki 共同创立的初创公司 Sensible Photonics。研究人员还与来自 INL、橡树岭国家实验室和太平洋西北国家实验室的科学家合作。该团队正在寻求进一步的资金，以评估系统的耐用性和稳定性，并推进其在核储存设施的潜在商业应用。

项目	规格
检测频率	超过 100 kHz
传统系统能力	20 kHz

光纤传感技术在核安全中的潜力

光纤传感系统的发展标志着核燃料储存安全监测技术的一个重要进步。随着核燃料储存罐的老化，腐蚀和裂缝的风险增加，这项技术能够及早检测潜在问题，从而提高核安全性。尽管目前测试尚未证实系统在实际运行中的可靠性，但其高频率检测能力显示出未来应用的潜力。随着进一步的研究和资金支持，这项技术可能会成为核设施安全管理的重要工具。