Новый метод ионного пучка позволяет имитировать повреждения ядерного реактора, происходящие десятилетиями, за считанные дни, что ускоряет испытания перспективных материалов для ядерных реакторов деления и синтеза.
Согласно исследованиям, проведенным под руководством ученых из Мичиганского университета, ионные пучки позволяют проводить квалификацию материалов для ядерных реакторов в 1000 раз быстрее, чем обычные испытательные реакторы.
Этот метод позволяет сократить время, которое обычно занимает более десяти лет облучения нейтронами, до нескольких дней внутри лабораторного ускорителя.
Данный подход, получивший название «Квалификация основных компонентов при ионном облучении» (QUICC), проходит этапы утверждения в ASTM International, отраслевом органе по стандартизации.
Презентация состоится на специальном мероприятии, организованном Институтом исследований электроэнергетики в марте.
Ожидается, что в усовершенствованных реакторах деления и предлагаемых термоядерных реакторах материалы активной зоны будут подвергаться воздействию уровней радиации, которые существующие экспериментальные реакторы с трудом могут воспроизвести в практически осуществимые сроки.
Некоторые компоненты должны выдерживать до 200 смещений на атом (dpa), что является показателем того, как часто атомы выбиваются из своих положений внутри кристаллической решетки материала.
Достижение такого уровня повреждений внутри экспериментального реактора может занять годы. Исследователи утверждают, что с помощью ионных пучков можно нанести эквивалентный ущерб за несколько дней и за гораздо меньшую стоимость.
Радиационный ущерб в течение нескольких дней
Главный вопрос, который обсуждается уже более 35 лет, заключается в том, может ли ионное облучение действительно воспроизвести сложные повреждения, вызванные нейтронной бомбардировкой внутри активной зоны реактора. По мнению команды, работающей над проектом QUICC, ответ — да.
«Методология QUICC, примененная к двум совершенно разным сплавам, демонстрирует, что критические изменения материалов под воздействием ионного облучения имитируют изменения, происходящие при облучении в реакторе. Это важно, поскольку ионное облучение позволяет прогнозировать поведение материалов в реакторах в 1000 раз быстрее, чем в экспериментальных реакторах, и при этом обходится в тысячу раз дешевле», — сказал Гэри Вас, почетный профессор ядерной инженерии и радиологических наук Мичиганского университета.
При традиционном нейтронном облучении материалы помещаются внутрь действующих реакторов и подвергаются воздействию в течение многих лет. При ионном облучении, напротив, используются ускорители частиц, которые бомбардируют образцы контролируемыми пучками.
Основная часть смещений атомов происходит с использованием тяжелых ионов, которые, как правило, соответствуют преобладающему металлу в сплаве, чтобы избежать изменения его химического состава.
Для имитации процесса производства гелия внутри ядерных реакторов группа исследователей добавила пучок ионов гелия.
Они также разработали камеру-мишень, которая погружает образцы в высокотемпературную воду под давлением во время облучения, имитируя условия в активной зоне реактора.
В термоядерных установках конструкция становится более сложной. Помимо тяжелых ионов и гелия, одновременно вводятся ионы водорода.
Эта конфигурация с тремя пучками воспроизводит комбинированное радиационное повреждение и накопление газа, ожидаемые в будущих компонентах термоядерных реакторов.
Термоядерные материалы под огнем
Показатель dpa отражает кумулятивное разрушение внутри металлов в результате многократного смещения атомов.
При уровнях, приближающихся к 200 dpa, материалы могут стать хрупкими, образовывать полости, набухать и образовывать пузырьки гелия, ослабляющие структурную целостность. Возможность быстрого достижения таких пороговых значений повреждения позволяет ускорить итерации проектирования и проверки сплавов.
Данная работа выполнена при поддержке Министерства энергетики США, Института исследований электроэнергетики, Национальной лаборатории Ок-Ридж, компании Framatome и Rolls-Royce. В основную исследовательскую группу входят ученые из Мичиганского университета, Университета штата Пенсильвания, Национальной лаборатории Ок-Ридж и Университета Теннесси.
Переход к стандартизации ASTM позволит QUICC перевести процесс квалификации материалов с многолетних реакторных испытаний на лабораторные ионные испытания.
Это изменение может ускорить сроки развертывания передовых ядерных и термоядерных систем, которые зависят от долговечных основных компонентов.
Sourse: interestingengineering.com
