Jonų pluoštai dabar gali iki 1000 kartų greičiau įvertinti branduolinių reaktorių medžiagų tinkamumą nei įprasti bandyminiai reaktoriai, skelbia mokslininkai, vadovaujami Mičigano universiteto.
Šis metodas leidžia laboratoriniame akseleratoriuje per kelias dienas atlikti tai, kas tradiciškai reikalautų daugiau nei dešimtmetį trunkančio neutronų apšvitinimo bandymų reaktoriuje.
Metodika, pavadinta „Qualification under Ion irradiation of Core Components“ (QUICC), šiuo metu pereina patvirtinimo etapus „ASTM International“ – tarptautinėje pramonės standartų organizacijoje.
QUICC metodas bus pristatytas specialiame renginyje, kurį kovo mėnesį organizuos „Electric Power Research Institute“.
Pažangios skilimo ir kuriami sintezės reaktoriai branduolio medžiagas veiks tokiais radiacijos lygiais, kokių esami bandyminiai reaktoriai praktiškai nepajėgia atkartoti per priimtinus terminus.
Dalys, esančios reaktoriaus šerdyje, turi atlaikyti iki 200 poslinkių atomui (angl. displacements per atom, dpa) – tai rodiklis, parodantis, kiek kartų atomai išstumiami iš savo vietos medžiagos kristalinėje gardelėje.
Tokį pažeidimų lygį bandyminiame reaktoriuje pasiekti gali prireikti daugelio metų. Naudojant jonų pluoštus, mokslininkai teigia galintys sukelti tokį patį žalojimo lygį per kelias dienas ir daug mažesnėmis sąnaudomis.
Radiacijos sukeliama žala per kelias dienas
Daugiau kaip 35 metus esminis klausimas buvo, ar jonų apšvitinimas gali patikimai atkartoti sudėtingą žalą, kurią reaktoriaus šerdyje sukelia neutronų bombardavimas. QUICC kūrėjų komandos teigimu, atsakymas yra teigiamas.
„QUICC metodika, pritaikyta dviem labai skirtingiems lydiniams, parodė, kad esminiai medžiagų pokyčiai veikiant jonų apšvitinimui atitinka pokyčius, stebimus reaktoriuose veikiant neutronams. Tai reiškia, kad jonų apšvitinimas gali būti naudojamas medžiagų elgsenai reaktoriuose prognozuoti 1000 kartų greičiau nei bandyminiuose reaktoriuose ir už vieną tūkstantąją tokių bandymų kainos“, – sakė Mičigano universiteto branduolinės inžinerijos ir radiacinių mokslų profesorius emeritas Gary Was.
Tradiciniuose neutronų bandymuose medžiagos mėginiai įdedami į veikiančius reaktorius ir metų metus laikomi jų viduje. Jonų apšvitinimo atveju naudojami dalelių greitintuvai, kurie bombarduoja mėginius tiksliai valdomais jonų pluoštais.
Dauguma atomų poslinkių sukeliama sunkiaisiais jonais – dažniausiai parenkant tokius jonus, kurie atitinka pagrindinį metalo komponentą lydinyje, kad nebūtų pakitusi jo cheminė sudėtis.
Norėdama imituoti helio susidarymą skilimo reaktoriuose, komanda papildomai naudojo helio jonų pluoštą.
Be to, buvo sukurta speciali taikinio kamera, kurioje mėginiai apšvitinimo metu panardinami į aukštos temperatūros, aukšto slėgio vandenį – taip atkuriamos sąlygos, artimos esančioms reaktoriaus šerdyje.
Norint atkurti sintezės reaktorių aplinką, sąranga dar labiau sudėtingėja. Kartu su sunkiaisiais jonais ir heliu įvedami ir vandenilio jonai.
Tokia trigubo pluošto konfigūracija leidžia atkartoti kombinuotą radiacinę žalą ir dujų (ypač helio ir vandenilio) kaupimąsi, kokio tikimasi būsimiuose sintezės reaktorių komponentuose.
Sintezės reaktorių medžiagos ekstremaliomis sąlygomis
Dpa rodiklis apibūdina bendrą sutrikimų kiekį metaluose, kai atomai daug kartų išstumiami iš savo padėties. Artėjant prie 200 dpa lygio, medžiagos gali tapti trapios, jose formuojasi ertmės, vyksta brinkimas, susidaro helio burbuliukai, silpninantys konstrukcinį stiprį.
Galimybė greitai pasiekti tokius pažeidimo lygius leidžia gerokai spartinti naujų lydinių kūrimą ir jų savybių tikrinimą.
Tyrimus rėmė JAV Energetikos departamentas, „Electric Power Research Institute“, „Oak Ridge National Laboratory“, „Framatome“ ir „Rolls-Royce“. Pagrindinę mokslinę komandą sudaro Mičigano universiteto, Pensilvanijos valstijos universiteto, „Oak Ridge National Laboratory“ ir Tenesio universiteto mokslininkai.
Judant link QUICC standartizavimo „ASTM International“, medžiagų kvalifikavimas galėtų būti perkeltas iš dešimtmečius trunkančių bandymų reaktoriuose į daug greitesnius laboratorinius jonų bandymus.
Toks pokytis gali reikšmingai paspartinti pažangių branduolinių ir sintezės energetikos sistemų, kurioms būtini itin patvarūs branduolio komponentai, diegimą.
