系统实时监控材料的辐射损坏

为了评估材料抵抗核反应堆内高辐射环境的能力，研究人员传统上使用一种称为“烹饪和外观”的方法，这意味着材料暴露在高辐射下，然后被移除进行体检。但是这个过程非常缓慢，它阻碍了未来反应堆新材料的开发。

现在，麻省理工学院和桑迪亚国家实验室的研究人员已经开发，测试并提供了一种新系统，可以持续监测辐射引起的变化，比传统方法更快地提供更有用的数据。

根据现行法规，许多核电厂的运行寿命即将结束，因此了解其内部材料的状况对于了解其运行是否可以安全延长至关重要，如果可以的话。

研究人员说，新的基于激光的系统可以用来观察材料物理性质的变化，例如它们的弹性和热扩散性，而不会破坏或改变它们。这项研究结果在麻省理工学院博士生Cody A. Dennett，核科学与工程教授Michael P. Short和技术专家Daniel L. Buller以及科学家Khalid Hattar的论文中描述了“核仪器与物理研究方法B”杂志。桑迪亚。

新系统基于一种称为瞬态光栅光谱的技术，使用激光束探测材料表面的微小变化，可以揭示材料内部结构变化的细节。两年前，Dennett和Short采用了监测辐射效应的方法。现在，经过广泛的测试，该系统已经准备好供研究人员使用，探索下一代反应堆新材料的开发，或那些希望通过更好地了解材料在恶劣辐射环境下如何随时间降解而延长现有反应堆寿命的系统在反应堆容器内。

Dennett解释说，测试材料对辐射的反应的旧方法是将材料暴露一段时间，然后将其取出并“将其砸碎，看看发生了什么”。相反，“我们想看看你是否能够发现过程中材料发生了什么，并推断出微观结构是如何变化的。”

瞬态光栅光谱法已经被其他人开发出来，但它并没有被用来寻找辐射损伤的影响，例如材料导热能力的变化和应力而不开裂。使技术适应独特和恶劣的辐射环境需要多年的发展。

为了模拟中子轰击的影响 - 在反应堆环境中导致大部分材料降解的辐射类型 - 研究人员通常使用离子束，这种离子束产生类似的损害但更容易控制并且更安全。 。该团队在桑迪亚使用了一个6兆瓦的离子加速器设施作为新系统的基础。这些类型的设施加速了测试，因为它们可以在几个小时内模拟多年的运行中子暴露。

Dennett说，通过使用该系统的实时监控能力，可以确定材料的物理变化开始加速的时间，这种情况往往会突然发生并迅速发展。通过在此时停止实验，可以详细研究在这个关键时刻发生的事情。“这使我们能够针对这些结构变化背后的机械原因，”他说。

肖特说，该系统可以在几个小时内对给定材料的性能进行详细研究，而在可能需要几个月的时间才能完成第一次迭代，找到退化时的点。对于完整的表征，常规方法他说，“使用新系统可能需要半年，相对于一天”。

在该系统的测试中，该团队使用了两种纯金属 - 镍和钨 - 但该设施可用于测试各种合金和纯金属，还可以测试许多其他种类的材料，研究人员说。“我们在这里非常兴奋的原因之一，”丹尼特说，当他们在科学会议上描述这种方法时，“我们谈过的每个人都说'你可以在我的材料上试试吗?' 每个人都知道，如果他们可以测试自己的东西会发生什么，然后他们可以更快地进行研究。“

Dennett解释说，系统进行的实际测量，使用激光束刺激材料的振动，然后使用第二个激光来观察表面的振动，直接探测材料的弹性刚度和热性能。但他说，这种测量可用于推断其他相关特征，包括缺陷和损伤累积。“这是他们告诉你的最重要的潜在机制”。

Dennett说，这个独特的设施现在在Sandia运营，也是团队正在进行的工作的主题，以进一步提高其能力。“这是非常可行的，”他补充说，他们希望增加更多不同的诊断工具来探测照射过程中材料的更多特性。