Jonų pluoštai gali iki 1000 kartų greičiau įvertinti branduolinių reaktorių medžiagų tinkamumą nei įprasti bandyminiai reaktoriai, teigia mokslininkai, vadovaujami Mičigano universiteto.
Šis metodas leidžia laboratoriniame dalelių greitintuve per kelias dienas atlikti tai, kam tradiciškai prireiktų daugiau nei dešimtmetį trunkančių neutronų apšvitinimo bandymų bandyminiame reaktoriuje.
Metodika, pavadinta „Qualification under Ion irradiation of Core Components“ (QUICC), šiuo metu pereina patvirtinimo etapus tarptautinėje pramonės standartų organizacijoje „ASTM International“.
QUICC metodas bus pristatytas specialiame renginyje, kurį kovo mėnesį organizuos „Electric Power Research Institute“.
Pažangūs skilimo ir kuriami sintezės reaktoriai branduolio medžiagas veiks tokiais spinduliuotės lygiais, kurių esami bandyminiai reaktoriai praktiškai nepajėgia atkartoti per priimtiną laiką.
Reaktoriaus šerdyje esančios dalys turi atlaikyti iki 200 poslinkių atomui (angl. displacements per atom, dpa). Šis rodiklis parodo, 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 pažeidimo lygį per kelias dienas ir gerokai 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 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 medžiagų 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 parenkami tokie jonai, kurie atitinka pagrindinį metalo komponentą lydinyje, kad nepakistų jo cheminė sudėtis.
Siekiant imituoti helio susidarymą skilimo reaktoriuose, komanda papildomai naudojo helio jonų pluoštą.
Taip pat sukurta speciali taikinio kamera, kurioje mėginiai apšvitinimo metu panardinami į aukštos temperatūros ir aukšto slėgio vandenį. Taip atkuriamos sąlygos, artimos esančioms reaktoriaus šerdyje.
Norint atkurti sintezės reaktorių aplinką, sąranga tampa dar sudėtingesnė: kartu su sunkiaisiais jonais ir heliu įvedami ir vandenilio jonai.
Tokia trigubo pluošto konfigūracija leidžia atkartoti kombinuotą radiacinę žalą ir dujų (ypač helio bei vandenilio) kaupimąsi, kurio tikimasi būsimuose 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 gali formuotis ertmės, vykti brinkimas, susidaryti helio burbuliukai, silpninantys konstrukcinį stiprį.
Galimybė greitai pasiekti tokius pažeidimų lygius leidžia gerokai paspartinti naujų lydinių kūrimą ir jų savybių patikrą.
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 gerokai greitesnius laboratorinius jonų apšvitinimo bandymus.
Toks pokytis gali reikšmingai paspartinti pažangių branduolinių ir sintezės energetikos sistemų diegimą, nes šioms technologijoms būtini itin patvarūs reaktoriaus šerdies komponentai.
