Name: laser-heating and radiance spectrometry for the study of nuclear materials in conditions simulating a nuclear power plant accident
Uploaded: 2017-12-14T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 18 s
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著者は、その制度的な研究プログラムの下で本研究を資金調達のため欧州委員会にお世話になった。さらに、本研究の一部は、EC 6回を通じて資金だった F 橋プロジェクトと 7th FP 優しくて安全な下のプロジェクトの下のフレームワーク プログラム。

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	<li>Manara, D., Ronchi, C., Sheindlin, M., Lewis, M., Brykin, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Melting+of+stoichiometric+and+hyperstoichiometric+uranium+dioxide.">Melting of stoichiometric and hyperstoichiometric uranium dioxide.</a> J. Nucl. 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J., Manara, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computer+simulations+of+non-congruent+melting+of+hyperstoichiometric+uranium+dioxide.">Computer simulations of non-congruent melting of hyperstoichiometric uranium dioxide.</a> J. Nucl. Mater. 385, 358-363 (2009).</li><li>Olander, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nuclear+Fuels-+Present+and+future.">Nuclear Fuels- Present and future.</a> J. Nucl. Mater. 389, 1-22 (2009).</li><li>De Bruycker, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+melting+behaviour+of+plutonium+dioxide:+A+laser-heating+study.">The melting behaviour of plutonium dioxide: A laser-heating study.</a> J. Nucl. Mater. 416, 166-172 (2011).</li><li>Manara, D., Boboridis, K., Morel, S., De Bruycker, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+UC2-x+-+Carbon+eutectic:+A+laser+heating+study.">The UC2-x - Carbon eutectic: A laser heating study.</a> J. Nucl. Mater. 466, 393-401 (2015).</li><li>Barrachin, M., Chevalier, P. Y., Cheynet, B., Fischer, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+modelling+of+the+U-O-Zr+phase+diagram+in+the+hyper-stoichiometric+region+and+consequences+for+the+fuel+rod+liquefaction+in+oxidising+conditions.">New modelling of the U-O-Zr phase diagram in the hyper-stoichiometric region and consequences for the fuel rod liquefaction in oxidising conditions.</a> J. Nucl. Mater. 375, 397-409 (2008).</li><li>Gu&#233;neau, C., Chartier, A., Van Brutzel, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermodynamic+and+thermophysical+properties+of+the+actinide+oxides.">Thermodynamic and thermophysical properties of the actinide oxides.</a> Comp Nucl Mater. 2, 21-59 (2012).</li><li>Preston-Thomas, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+International+Temperature+Scale+of+1991+(ITS-90).">The International Temperature Scale of 1991 (ITS-90).</a> Metrologia. 27, 3-10 (1990).</li><li>Preston-Thomas, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Erratum:+The+International+Temperature+Scale+of+1990+(ITS-90).">Erratum: The International Temperature Scale of 1990 (ITS-90).</a> Metrologia. 27, 107 (1990).</li><li>Bedford, R. E., Bonnier, G., Maas, H., Pavese, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recommended+values+of+temperature+on+the+International+Temperature+Scale+of+1990+for+a+selected+set+of+secondary+reference+points.">Recommended values of temperature on the International Temperature Scale of 1990 for a selected set of secondary reference points.</a> Metrologia. 33, 133-154 (1996).</li></ol>

著者が明らかに何もありません。

ここで示したレーザ加熱放射分光法は、耐火材15, 16の非常に高温で融解現象の調査のための革新的で効果的な方法として認識されます。ここで示した結果の例で示すように、そのリモートとほぼコンテナー以下の性質のおかげでそれは放射性核物質の実験的研究と、Npp のコアのメルトダウン事故のシミュレーションに特に適しています。
評価実験データは、現在のメソッドで取得、1 つは間違いない、相転移実験ポイントが正しく割り当てについて注意深いべきです。実際には、非常に高温で材料の速度は非常に高速にすることができます、非合同気化、偏析、化合物の解離など、いくつかのコントロール困難な現象が発生します。(誘導炉) のようなより伝統的な加熱方法との比較を示して、このような現象の発生の可能性は高速加熱・冷却現在のような技術の使用を正当化します。その一方で、現在の加熱条件下で熱力学の平衡条件の効果的な安定について疑問が生じることがあります。手順」で説明したように、熱サイクルの高速レーザ加熱部分の間にそのような条件を保証できません。しかし、熱力学の平衡条件は確かに冷却の段階で生産されています。この文の現在の実験をシミュレートするコンピュータ コードの助けを借りて検証し、平衡に近い質量と局所位相遷移11存在下で熱拡散に基づきます。それにもかかわらず、条件チェックすべきクロス-実験的に、通常よく評価測定による熱力学的平衡相遷移温度参照として取ることができる化合物です。これは W、Mo (1990年17,18,19の国際温度目盛の二次基準温度として推奨)、UO2の融解・凝固点と現在の仕事で実現しました。ZrC C 共9。このような参照点を測定も精度と解析方法の不確実性を評価するために必要です。
与えられた極端な条件とレーザー加熱実験における現象、正確な不確かさ解析は生成データのユーザビリティの重要です。測定に成功キャンペーンの現在のフェーズ遷移の温度データに影響を与える累積的な不確実性は 2 標準偏差カバレッジ率 (95% の信頼度で、絶対温度の ± 1% になるべきであります。このような不確実性のバンドは、たとえば、非合同気化が変更実際のサンプル組成制御できない方法で、実験中に複雑な材料の大きいことができます。このような不確実性は、校正手順、NSE 測定、サンプルの安定性 (すなわち、再現性の実験的相転移温度の連続レーザー ショット以上) などによるエラー アカウントに入れなければなりません。融点/凝固点の:puo2の不確実性分析の例は、表 1 で報告されます。様々 な不確実性の貢献は、独立とエラー伝搬法3に従って考えることが。
<img alt="Table 1" src="/files/ftp_upload/54807/54807table1.jpg"> 
表 1:融点/凝固点の:puo2の不確実性分析の例 (参照13). 意味と c2の値は、式 1 のコメントで概要のセクションで報告されます。Δελをここでελの灰色ボディ仮定内実験的放射輝度スペクトルを適合させて得られる平均実験値の周りの 2 つの標準偏差のために立っています。Δ Tcとδ Tdは、それぞれ平均標準ランプ推定温度曲線と平均実験的凝固温度値の周りの 2 つの標準偏差を表します。
いくつかの改善は、現在実験的に可能です。特に、複雑な配管系の質量分析計による圧力容器を接続できるようになります検出、少なくとも質的に、ホット マテリアルによって解放蒸気プルームの種の。また、熱カメラの実装は可能な不均一性と分離効果を検出するためにホット サンプル表面上二次元温度分布研究の予見は。最後に、現在の機器を中心に構築安全システムの改善が予想されています。実際には、ここで使用される現在のプレキシ ガラスのグローブ ボックスは、ウランなど α 放射を効果的にブロックするという事実のおかげで、超ウラン元素の高い放射性物質の研究に適しています。しかし、このシールドは実際照射済核燃料に含まれる核種のような強い γ 排出者の調査のために十分安全ではありません。実際 Npp から使用済み核燃料の研究リード壁セルを含む新しい施設が見込まれます。

核分裂が大規模な実質的に無尽蔵のエネルギー源として広く存在するがいくつかの安全性、セキュリティ、および保護のリスクによってまだ完全公開の受け入れは停止します。実験的アプローチを提示でこの作業の目的はこれらのリスクのいずれか (NPP) 原子力発電所で炉心溶融につながる重大な事故 (SAs) の発生に関するいくつかの基礎材料科学の質問に答える。これは深刻な影響は、人々 の健康と国の経済の両方の環境での高レベル放射性物質の放出の可能性につながります。このタイプの主要な SAs は、チェルノブイリ (1986 旧ソ連) ・福島 (日本 2011 年) スリーマイル島 (アメリカ、1979)、Npp に 3 回発生しています。したがって、原子力発電所 SAs は、いくつかの機能のかなりの研究の焦点は、包括的な世界の多くの挑戦的な現象、および (多くの場合 3,000 K を超える) 非常に高温と放射性物質の存在によって複雑に。
このシナリオでは、欧州理事会1最近の指令 eu 原子力安全に原子力発電のライフ サイクルのすべての段階で最高の優先順位を与えることが必要です。これは新しい原子力発電所の建設前に安全性評価を実施し、古い炉のための重要な安全機能強化も含まれています。
このコンテキストで制御雰囲気、レーザー加熱、高速輝度分光高温測定施設2,3,4は、欧州委員会で実装されている共同研究センター研究所超ウラン元素研究所のシミュレーションのため、小さな規模で原子力発電所炉心溶融。プルトニウムとマイナーを含む限られたサンプルのサイズ (一般的に、cm ・ 0.1 g-スケール) と高効率とリモート レーザー加熱、このアプローチ許可高速および真核物質の効果的な高温測定の特性のためアクチニドを含む核分裂燃料サンプル。この点で、その能力を大量の極端な条件下での材料に関するデータを生成、現在の実験方法一意であると世界中に認識されています。実際には、誘導加熱に基づく他の補完的な調査の技術は、急速な高温サンプル素材と封じ込め5相互に苦しむことに示されています。さらに、このようなテクニックを許可する主解析のための材料の大きい量を必要とする場合、彼らは高放射能とサンプルの限られた供給のための本物の核材料の調査の現在の方法よりもあまり適しています。
(図 1 で図式) 現在実験で α シールド グローブのボックスに含まれている制御雰囲気オートクレーブにマウントされている、サンプルを 4.5 kW CW Nd:YAG レーザーによる加熱します。
<img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig1.jpg"> 
図 1:レーザー加熱と輝き分光高温測定の実験の設定です。 サンプルし制御された雰囲気下で気密容器内黒鉛 (タングステンやモリブデン) ネジで固定します。たとえば、グラファイト ネジで固定:puo2ディスク、左下隅で報告された図が示しています。放射性サンプルの場合は、船はアルファ タイト グローブ ボックス内マウントする必要があります。サンプルは 1,064 で 4.5 kW Nd:YAG レーザーによって加熱される nm。2 チャネル高速温度計は、サンプル温度と低消費電力+ Ar レーザーからの反射信号を記録するために使用されます。その場でホット サンプルの光学的性質の解析遅くマルチ チャネル分光-pyromenter を採用します。<a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
放射温度計測定、サンプル輝き Lex。これは、与えられた温度6サンプルによって放出される立体角、波長単位の表面ごと電磁放射電力密度です。それは修正プランク関数を介して試料表面温度 T にリンクされます。

<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/54807/54807equation1.jpg">
分光放射率、 c1 Lλが放射電力は、 ελには = 2·h·c0 2は最初の放射定数、 c2 = h·c0/kB = 14,388 µm·K は 2 番目の放射定数、 c0は真空の光速、 hはプランク定数、およびkBボルツマンの定数。分光放射率は本当の体を放射するという事実を考慮に、特定波長で温度と同じ温度での理想的な黒体の放射力の等しい一部分だけです。したがって、0 と 1 に対応する、プランクの法則のための理想的な黒体ケースが派生したと 1 の間の値を取ります。以来、現在の仕事で温度計が試料表面に対して普通に近い設定常にελの角度依存性はないと考えられていたと「放射率」が常に通常の分光放射率 (NSE) を参照していますください。NSE は 1 と Lex絶対温度 t. に、温度計の校正手順の方程式を変換するために決定する必要があります。
試料温度検出を標準ランプに対して校正する高速温度計を用いた λ で 2,500 K まで = 655 nm と。515 間動作追加 256 チャネルの輝度分光温度計 nm、980 nm がサンプルの NSE (ελ) の研究のために雇われました。NSE の定量は、方程式 12,の3 Tとελ 2 つだけ自由なパラメタをされている熱発光スペクトルの非線形フィットを完了することによって可能です。このアプローチは、耐火材7原子力発電所に NSE が想定される通常存在するもののように許容できる正確に実証されている広いスペクトル範囲の波長に依存しない (灰色体仮説)。レーザー加熱サンプルの温度は時間の関数として正しくが、一度熱分析は結果の温度-時間曲線 (サーモグラム) で実行できます。抑揚や熱の逮捕、サーモグラムで相転移 (固相、液相、および等温相変換) に関連する情報を与えます。また、NSE を決定するために必要なことに加え、放射輝度 Lexホット サンプルによって放出されるの直接分光分析も勉強面のいくつかの光学特性の場観察研究を許可します。これは、相転移、凝縮した材料とガス相分離効果の化学反応などの高温現象を識別するための別の支援ツールを構成します。呼ばれる付加的な技術は、光信号 (RLS) 分析2, 3相転移を確認するために使用を反映されます。低消費電力 (1 W) に調整された温度計の 2 番目のチャネルを使用して行われている Ar+レーザー (λ = 488 nm)。このチャネルは、Ar+共振器から発生したレーザー光を検出し、サンプルの表面によって反映されます。一定の RLS 信号は固体表面を示し、液体試料表面の表面張力振動による溶融後ランダム振動が表示されます。
一般に、水冷炉固体燃料要素を使用して、現在、原子力発電所の最も一般的な種類所有している放射能8の封じ込めを確保するため 4 つの連続した障壁。最初の障壁は固体の核分裂生成物、揮発性のものの一部、その結晶構造とマイクロ マクロ気孔率のおかげで、燃料ペレット自体が保持できます。一般に、全体の燃料要素は、2 番目の保護段階として動作 (ジルカロイ製) 金属クラッドに配置されます。クラッドの障害発生時、3 つ目のバリアは一般的に数 cm の厚さ (プライマリ システム) は、鋼の壁により拘束された全体の原子力発電所内槽です。最後に、原子格納容器 (厚さ m コンクリート) の建物は環境へのリリースの前に最後の安全バリアです。
水冷却システムの障害発生時、原子力発電所 SA 起こることができる、過熱とメルトダウンに 。核分裂による熱のため当初は過熱です。ただし、冷却を行わない場合、過熱することができますも長い終了後も継続、核分裂生成物の核瓦礫に含まれている他の高レベル放射性種残留崩壊熱により核の連鎖反応の。一般的には、低融点化合物 (おそらく共) が燃料とクラッドの界面に形成される限り、溶けては燃料要素の中心部から開始されます。本研究の第一の目的は、かどうか実際燃料被覆システムでは、このような低融点化合物が形成され、この場合、結果の融解温度うつ病だろうを確立するので構成されます。この質問に答えるために純粋で混合燃料化合物の溶融挙動まず評価されるべき健全、したがって現在のアプローチのさらにもっと重要な目標を構成します。燃料とクラッドを一緒に溶かす、液体の質量が急速に主な容器の底に落ちるし、あれば鋼の壁と残りの水と蒸気の反応を起動します。この段階で鋼はまた燃料/クラッドとともに溶融するホット混合物。その結果、溶岩のような液体は、「真皮」と呼ばれます。このホット、高レベル放射性混合物は一次格納容器外拡散が鋼の壁を溶かし、最も外部の障壁を構成するコンクリートとも反応してしまいます。高熱と真皮内で現在の種の高反応性は水解離して水素の生産につながることができます。重い酸化または真皮 (少ない) 水和反応 (参考:スリーマイル島と福島で SAs)、蒸気と水素爆発の追加リスクがあります質量と原子力発電所構造材料。現在の実験方法は、分離とイベントの上記のシーケンスに関連する多くの複雑な物理化学的メカニズムのいくつかの実験的解析を許可します。ほかに述べられた純粋なコンポーネントの解析と燃料被覆管相互作用、いくつか高温間の相互作用など、簡略化されたシステムのメカニズムを調べることができます Pu を含む燃料と燃料とコンクリート、鋼を溶融等します。真皮層を異なる雰囲気 (不活性ガス、空気、水素または蒸気の痕跡) の存在下で学ぶことができる可能性のある SAs の包括的な理解のための重要な参照データを生成します。
現在のアプローチは、高融点の材料の実験室調査のために特に適しては、に基づいて、たとえば、ウラン炭化物や窒化物) 核燃料の他より革新的な種類の解析に成功、採用されているとジルコニウム9タンタル、ハフニウムの炭化物、金属合金、酸化カルシウム10など他の耐火物。

<table><tbody><tr><td>Two-channel fast pyrometer</td><td>Assembled privately</td><td></td><td>Fast pyrometer. Photodiode detectors at 650 nm and 488 nm, assembled with focussing objective and fast logarithmic amplifier.</td></tr><tr><td>Laser TRUMPF HLD4506, TRUMPF,&amp;nbsp;</td><td>TRUMPF Schramberg, Germany</td><td>HLD4506</td><td>Heating agent</td></tr><tr><td>CDI spectrometer</td><td>CDI</td><td>Optical Spectrograph card, 256 channels</td><td>Multi-wavelength spectro-pyrometer array</td></tr><tr><td>Ar+ laser</td><td>Ion Laser Technology</td><td>5500A-00</td><td>0.75 W RLS laser</td></tr><tr><td>Oscilloscope NICOLET</td><td>NICOLET, Madison, Wi, USA</td><td>Pro 44C Transient Digitizer</td><td>AD converter, data acquisition system</td></tr><tr><td>SETNAG Oxygen analyser</td><td>SETNAG, Marseille, France</td><td>JC24V-M</td><td>ZrO2 electrochemical cell for oxygen analysis in the autoclave</td></tr><tr><td>Blackbody source</td><td>POLYTECH CI Waldbronn, Germany</td><td>Customized</td><td>Black body source for spectro-pyrometer calibration</td></tr><tr><td>Standard calibration lamps</td><td>POLARON, Watford, UK</td><td>P.224c and P213c</td><td>Lamps for pyrometer and spectro-pyrometer calibration</td></tr></tbody></table>

laser-heating and radiance spectrometry for the study of nuclear materials in conditions simulating a nuclear power plant accident

メジャーと深刻な事故で発生した 3 回原子力発電所 (Npp) スリーマイル島 (アメリカ、1979)、(旧ソ連、1986) チェルノブイリと福島 (日本 2011 年)。原因、動力学、これらの事故の結果の研究はいくつか研究所世界最後の三十年で行われてきました。このような研究活動の共通の目標は、: これらの種類両方既存および潜在的な新しい原子力発電所の事故の防止その最終的な結果の最小化最終的には、本当のリスクを完全に理解は Npp と接続します。原子力発電所炉心溶融、重度の最も一般的なタイプの小さな規模での実験室シミュレーション超ウラン元素のため、欧州委員会共同研究センターの研究所でレーザー加熱と高速輝度分光高温測定設備を使用します。冷却システムの故障の結果として原子炉で発生する事故 (SA)。このシミュレーション ツールは、プルトニウムなどマイナーなアクチニドを含む核分裂燃料サンプルの実際の核材料の迅速かつ効果的な高温測定を許可します。この点で、その能力を大量の極端な条件下での材料に関するデータを生成、現在の実験的アプローチは確かにユニーク。核燃料のいくつかの種類の溶融挙動の原子力発電所の現在と未来の概念の例の結果を提示: ウラン プルトニウム酸化物、炭化物、窒化物。高温の酸化物燃料の原子格納容器材料との相互作用の結果がまた簡潔に表示されます。

図 3 さまざまな酸化レベルを二酸化ウランにサーモグラム実際の温度が表示されます (UO2 + x 0 &#60; x &#60; 0.21)2。二酸化ウランは、現在 Npp の最も一般的な燃料の重要なコンポーネントです。通常、オフ-通常リアクター条件12酸素ハイパー化学量論の様々 なレベルにその酸化が発生します。現在のメソッドでことを示した、融解・凝固点の劇的な減少で UO2酸化させる可能性がある 700 k までこの場合、高温で高い非一致の蒸発を抑制するためにかなり高い不活性ガス圧 (10 MPa 時彼) の下で実施される実験しなければならなかった。
<img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig3.jpg"> 
図 3:サーモグラムは、( 2) 後レーザー加熱の化学量論的 hyperstoichiometric 二酸化ウラン サンプルで測定されます。 二重パルス レーザーの例のプロファイルは、グラフに表示されます。サーモグラムは UO2 + xの楽曲に対して記録されます。U O システムで明らかに融解・凍結温度と凝固動態進化サンプル構成に応じて、さまざまな機能と大きく異なる温度で凝固逮捕が発生します。<a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
温度計 (直線) と分光温度計サーモグラム (0.3 MPa で圧縮空気) 酸化性雰囲気下で加熱されたプルトニウム二酸化サンプル レーザーに関する記録を図 4 に示します。また、:puo2重要な核燃料コンポーネントです。同じ図に異なる温度で分光温度計 2 放射輝度スペクトルは曲線によって近似実験データと対応するTとελの値とともに、くぼみにも表示されます。本研究のおかげで:puo2融解凍結温度は 3,017 K ± 28 K, 300 K 以上より高いより伝統的な加熱方法によって示される以前に再評価されました。これらのメソッドには、確かにサンプルとコンテインメントでは、主にリモート加熱手法と解決されている問題豊富な高温の相互作用によって影響を受ける結果が得られました。
<img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig4.jpg"> 
図 4:サーモグラムは、融点を超えて加熱プルトニウム二酸化サンプル レーザーで測定されます。 メインのグラフ: 黒い実線と完全な黒の円高速温度計と多波長分光-温度計、それぞれ酸化雰囲気下での:puo2サンプルの記録サーモグラムを表します。白い円は、プランクの放射輝度法12の実験的輝度データを適合させて得られる分光放射率の値を表します。2 つのインセット例スペクトル記録 (黒丸) とそれぞれ灰色ボディ仮定内液と凍結:puo2、(赤実線) を装備しました。これらのプロットに輝きLλは、簡潔にするために最初放射定数c1に正規化されます。主なサーモグラムは、定数平均放射率は 0.83 を使用して得られました。<a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
図 5 は、UO2と異なる雰囲気で ZrO2の混合物に対してレーザー加熱パルスのシリーズを示しています。このテストは、原子力発電所の偶発的な温度遠足の場合生成される条件の代表です。アルゴンで実験を行った場合、融解・凝固点は以上の連続ショットも再現性のある温度で発生します。その一方で、レーザー加熱サイクルは、圧縮空気で実行されて場合、融解・凝固温度はレーザー ショット以上減少します。これは後者のケースでは、ことを示していますサンプルますますレーザー加熱治療中に酸化されます。また、混合 UO2- ZrO2酸化物の場合融点うつ病にハイパー化学量論の酸素条件で発生します。
<img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig5.jpg"> 
図 5:サーモグラムは、高圧のアルゴンガスと空気の混合 UO2- ZrO2サンプルを測定しました。 アルゴン (黒サーモグラム) で実験を行った場合、融解・凝固点は以上の連続ショットも再現性のある温度で発生します。一方、レーザー加熱サイクルが圧縮空気 (緑サーモグラム) で実行される場合、融解・凝固温度はレーザー ショット以上減少します。<a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
それ以上の例はかかわる二ウラン炭化物材料の別の種類です。これは、核燃料、高温での潜在的作業とメルトダウン事故のリスクが大幅に削減の代替概念の可能な材料として想定されています。現在アプローチ14初めての大過剰の炭素 (名目上 UC2.8) を含む新しい組成を調べた。この場合、UC2- C 共晶温度、27,37 K ± 20 K する確立は 2,050 K ± 20 k. で固定、立方晶-正方晶 (における α → β) 固体転移と共に輝き参照として使用されました。カーボン豊富な化合物の NSE は 650 で 0.7 までの増加を測定した nm、 ελ = 0.53値の共晶組成領域の限界で純粋なウランを二炭化物の設立されたに対し。この増加は過剰炭素の相照らして分析され、液相線温度 (3,220 ± 50 K の UC2.8) の決定に使用されます。また立方晶-正方晶遷移で培った高速固体の拡散による共晶ラメラの明らかな兆候が認められなかったの室温に冷却した後。表面 C/UC2 x共晶組成物続くことができる質的に、しかし一貫して、冷却過程で記録された輝度スペクトルの助けを借りて、図 6 に示すように、a と b。興味深いことに、現在の NSE の分析は、外部液体表面液体相における二ウラン炭化物のほぼ完全に立てられた、一方それを得た凍結時に demixed の炭素で豊かに急速に、示した。Demixed 炭素さらに冷却中に内側のバルクへ迅速に移行するように見えた。における α → β 転移におけるウラン二炭化物は再び外部面のほぼすべてをカバーしています。超高温材料挙動の詳細についてはこれらのすべては、炉心内の制御不能な温度上昇の場合化合物のこのタイプの分析に不可欠です。彼らは、彼らはほとんど他の実験技術を利用できることに対し輝度分光分析のみに基づいて推定しました。
<img alt="Figure 6" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig6.jpg"> 
図 6:高圧アルゴン14UC2.8サンプルのサーモグラムと放射輝度スペクトルを測定しました。 UC2.8サンプル) サーモグラムの冷却ステージを記録しました。完全な円は、分光温度計によって記録された輝度スペクトルを時間ポイントを特定します。異なる温度での放射輝度スペクトル b) 4 つの例を記録しました。それらの 1 つは他の 3 つは、図 5 a に表示される熱の逮捕に対応しながら液体 UC2.8に記録されました。<a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig6large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。

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Laser-heating and Radiance Spectrometry for the Study of Nuclear Materials in Conditions Simulating a Nuclear Power Plant Accident

外装材、本物の核燃料、実験を現在我々 原子格納容器材料、レーザー分光放射輝度と熱分析によって彼らの行動を勉強している間、3,000 K を超える温度に加熱します。これらの実験は実験室規模で、原子炉炉心溶融の後溶岩相の形成をシミュレートします。

レーザー加熱と原子力発電所事故を模擬した条件における核物質に関する研究の輝き分析

Major and severe accidents have occurred three times in nuclear power plants (NPPs), at Three Mile Island (USA, 1979), Chernobyl (former USSR, 1986) and ...

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10.3K ビュー.  European Commission, Joint Research Centre. 外装材、本物の核燃料、実験を現在我々 原子格納容器材料、レーザー分光放射輝度と熱分析によって彼らの行動を勉強している間、3,000 K を超える温度に加熱します。これらの実験は実験室規模で、原子炉炉心溶融の後溶岩相の形成をシミュレートします。

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Dependence of Laser-induced Breakdown Spectroscopy Results on Pulse Energies and Timing Parameters Using Soil Simulants

The dependence of some LIBS detection capabilities on lower pulse energies (&lt;100 mJ) and timing parameters were examined using synthetic silicate samples. These samples were used as simulants for soil and contained minor and trace elements commonly found in soil at a wide range of concentrations. For this study, over 100 calibration curves were prepared using different pulse energies and timing parameters; detection limits and sensitivities were determined from the calibration curves. Plasma temperatures were also measured using Boltzmann plots for the various energies and the timing parameters tested. The electron density of the plasma was calculated using the full-width half maximum (FWHM) of the hydrogen line at 656.5 nm over the energies tested. Overall, the results indicate that the use of lower pulse energies and non-gated detection do not seriously compromise the analytical results. These results are very relevant to the design of field- and person-portable LIBS instruments.

LIBS detection capabilities on soil simulants were tested using a range of pulse energies and timing parameters. Calibration curves were used to determine detection limits and sensitivities for different parameters. Generally, the results showed that there was not a significant reduction in detection capabilities using lower pulse energies and non-gated detection.

土壌模擬を使用したパルスエネルギーおよびタイミングパラメータにレーザー誘起ブレークダウン分光法の結果の依存性

The  dependence of some LIBS detection capabilities on lower pulse energies (&lt;100  mJ) and timing parameters were examined using synthetic silicate ...

化学

Measurement and Analysis of Atomic Hydrogen and Diatomic Molecular AlO, C2, CN, and TiO Spectra Following Laser-induced Optical Breakdown

In this work, we present time-resolved measurements of atomic and diatomic spectra following laser-induced optical breakdown. A typical LIBS arrangement is used. Here we operate a Nd:YAG laser at a frequency of 10 Hz at the fundamental wavelength of 1,064 nm. The 14 nsec pulses with anenergy of 190 mJ/pulse are focused to a 50 &#181;m spot size to generate a plasma from optical breakdown or laser ablation in air. The microplasma is imaged onto the entrance slit of a 0.6 m spectrometer, and spectra are recorded using an 1,800 grooves/mm grating an intensified linear diode array and optical multichannel analyzer (OMA) or an ICCD. Of interest are Stark-broadened atomic lines of the hydrogen Balmer series to infer electron density. We also elaborate on temperature measurements from diatomic emission spectra of aluminum monoxide (AlO), carbon (C2), cyanogen (CN), and titanium monoxide (TiO).
The experimental procedures include wavelength and sensitivity calibrations. Analysis of the recorded molecular spectra is accomplished by the fitting of data with tabulated line strengths. Furthermore, Monte-Carlo type simulations are performed to estimate the error margins. Time-resolved measurements are essential for the transient plasma commonly encountered in LIBS.

Measurement and Analysis of Atomic Hydrogen and Diatomic Molecular AlO, C2, CN, and TiO Spectra Following Laser-induced Optical Breakdown

Time-resolved atomic and diatomic molecular species are measured using LIBS. The spectra are collected at various time delays following the generation of optical breakdown plasma with Nd:YAG laser radiation&#160;and are analyzed to infer electron density and temperature.

測定と原子状水素と二原子分子のAlO、Cの分析<sub&gt; 2</sub&gt;、CN、およびTiOスペクトラ[次のレーザー誘起光学破壊

In this work, we present time-resolved measurements of atomic and diatomic spectra following laser-induced optical breakdown. A typical LIBS arrangement ...

工学

Laser-induced Breakdown Spectroscopy: A New Approach for Nanoparticle's Mapping and Quantification in Organ Tissue

Emission spectroscopy of laser-induced plasma was applied to elemental analysis of biological samples. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) performed on thin sections of rodent tissues: kidneys and tumor, allows the detection of inorganic elements such as (i) Na, Ca, Cu, Mg, P, and Fe, naturally present in the body and (ii) Si and Gd, detected after the injection of gadolinium-based nanoparticles. The animals were euthanized 1&#160;to 24 hr&#160;after intravenous injection of particles. A two-dimensional scan of the sample, performed using a motorized micrometric 3D-stage, allowed the infrared laser beam exploring the surface with a lateral resolution less than 100 &#956;m. Quantitative chemical images of Gd element inside the organ were obtained with sub-mM sensitivity. LIBS offers a simple and robust method to study the distribution of inorganic materials without any specific labeling. Moreover, the compatibility of the setup with standard optical microscopy emphasizes its potential to provide multiple images of the same biological tissue with different types of response:&#160;elemental, molecular, or cellular.

Laser-induced breakdown spectroscopy performed on thin organ and tumor tissue successfully detected natural elements and artificially injected gadolinium (Gd), issued from Gd-based nanoparticles. Images of chemical elements reached a resolution of 100 &#956;m and quantitative sub-mM sensitivity. The compatibility of the setup with standard optical microscopy emphasizes its potential to provide multiple images of a same biological tissue.

レーザー誘起ブレークダウン分光法：臓器組織内のナノ粒子のマッピングと定量化のための新たなアプローチ

Emission spectroscopy of laser-induced plasma was applied to elemental analysis of biological samples. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) ...

Laser Microirradiation to Study In Vivo Cellular Responses to Simple and Complex DNA Damage

DNA damage induces specific signaling and repair responses in the cell, which is critical for protection of genome integrity. Laser microirradiation became a valuable experimental tool to investigate the DNA damage response (DDR) in vivo. It allows real-time high-resolution single-cell analysis of macromolecular dynamics in response to laser-induced damage confined to a submicrometer region in the cell nucleus. However, various laser conditions have been used without appreciation of differences in the types of damage induced. As a result, the nature of the damage is often not well characterized or controlled, causing apparent inconsistencies in the recruitment or modification profiles. We demonstrated that different irradiation conditions (i.e., different wavelengths as well as different input powers (irradiances) of a femtosecond (fs) near-infrared (NIR) laser) induced distinct DDR and repair protein assemblies. This reflects the type of DNA damage produced. This protocol describes how titration of laser input power allows induction of different amounts and complexities of DNA damage, which can easily be monitored by detection of base and crosslinking damages, differential poly (ADP-ribose) (PAR) signaling, and pathway-specific repair factor assemblies at damage sites. Once the damage conditions are determined, it is possible to investigate the effects of different damage complexity and differential damage signaling as well as depletion of upstream factor(s) on any factor of interest.

Laser Microirradiation to Study In Vivo Cellular Responses to Simple and Complex DNA Damage

The goal of this protocol is to describe how to use laser microirradiation to induce different types of DNA damage, including relatively simple strand breaks and complex damage, to study DNA damage signaling and repair factor assembly at damage sites in vivo.

生体内で単純および複雑な DNA 損傷に対する細胞応答を研究するレーザー Microirradiation

DNA damage induces specific signaling and repair responses in the cell, which is critical for protection of genome integrity. Laser microirradiation ...

遺伝学

Production of Synthetic Nuclear Melt Glass

Realistic surrogate nuclear debris is needed within the nuclear forensics community to test and validate post-detonation analysis techniques. Here we outline a novel process for producing bulk surface debris using a high temperature furnace. The material developed in this study is physically and chemically similar to trinitite (the melt glass produced by the first nuclear test). This synthetic nuclear melt glass is assumed to be similar to the vitrified material produced near the epicenter (ground zero) of any surface nuclear detonation in a desert environment. The process outlined here can be applied to produce other types of nuclear melt glass including that likely to be formed in an urban environment. This can be accomplished by simply modifying the precursor matrix to which this production process is applied. The melt glass produced in this study has been analyzed and compared to trinitite, revealing a comparable crystalline morphology, physical structure, void fraction, and chemical composition.

A protocol for the production of synthetic nuclear melt glass, similar to trinitite, is presented.

合成核メルトガラスの製造

Realistic surrogate nuclear debris is needed within the nuclear forensics community to test and validate post-detonation analysis techniques. Here we ...

Emission Spectroscopic Boundary Layer Investigation during Ablative Material Testing in Plasmatron

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution for future high-speed reentry missions. But despite the advancements made since Apollo, heat flux prediction remains an imperfect science and engineers resort to safety factors to determine the TPS thickness. This goes at the expense of embarked payload, hampering, for example, sample return missions. 
Ground testing in plasma wind-tunnels is currently the only affordable possibility for both material qualification and validation of material response codes. The subsonic 1.2MW Inductively Coupled Plasmatron facility at the von Karman Institute for Fluid Dynamics is able to reproduce a wide range of reentry environments. This protocol describes a procedure for the study of the gas/surface interaction on ablative materials in high enthalpy flows and presents sample results of a non-pyrolyzing, ablating carbon fiber precursor. With this publication, the authors envisage the definition of a standard procedure, facilitating comparison with other laboratories and contributing to ongoing efforts to improve heat shield reliability and reduce design uncertainties.
The described core techniques are non-intrusive methods to track the material recession with a high-speed camera along with the chemistry in the reactive boundary layer, probed by emission spectroscopy. Although optical emission spectroscopy is limited to line-of-sight measurements and is further constrained to electronically excited atoms and molecules, its simplicity and broad applicability still make it the technique of choice for analysis of the reactive boundary layer. Recession of the ablating sample further requires that the distance of the measurement location with respect to the surface is known at all times during the experiment. Calibration of the optical system of the applied three spectrometers allowed quantitative comparison. At the fiber scale, results from a post-test microscopy analysis are presented.

Development of new ablative materials and their numerical modeling requires extensive experimental investigation. This protocol describes procedures for material response characterization in plasma flows with the core techniques being non-intrusive methods to track the material recession along with the chemistry in the reactive boundary layer by emission spectroscopy.

プラズマトロン内のアブレーション材料試験中の放射分光境界層調査

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution ...

Applying X-ray Imaging Crystal Spectroscopy for Use as a High Temperature Plasma Diagnostic

X-ray spectra provide a wealth of information on high temperature plasmas; for example electron temperature and density can be inferred from line intensity ratios. By using a Johann spectrometer viewing the plasma, it is possible to construct profiles of plasma parameters such as density, temperature, and velocity with good spatial and time resolution. However, benchmarking atomic code modeling of X-ray spectra obtained from well-diagnosed laboratory plasmas is important to justify use of such spectra to determine plasma parameters when other independent diagnostics are not available. This manuscript presents the operation of the High Resolution X-ray Crystal Imaging Spectrometer with Spatial Resolution (HIREXSR), a high wavelength resolution spatially imaging X-ray spectrometer used to view hydrogen- and helium-like ions of medium atomic number elements in a tokamak plasma. In addition, this manuscript covers a laser blow-off system that can introduce such ions to the plasma with precise timing to allow for perturbative studies of transport in the plasma.

X-ray spectra provide a wealth of information on high temperature plasmas. This manuscript presents the operation of a high wavelength resolution spatially imaging X-ray spectrometer used to view hydrogen- and helium-like ions of medium atomic number elements in a tokamak plasma.

高温プラズマ診断として使用するためのX線イメージングクリスタル分光法を適用します

X-ray spectra provide a wealth of information on high temperature plasmas; for example electron temperature and density can be inferred from line ...

A Novel Technique for Raman Analysis of Highly Radioactive Samples Using Any Standard Micro-Raman Spectrometer

A novel approach for the Raman measurement of nuclear materials is reported in this paper. It consists of the enclosure of the radioactive sample in a tight capsule that isolates the material from the atmosphere. The capsule can optionally be filled with a chosen gas pressurized up to 20 bars. The micro-Raman measurement is performed through an optical-grade quartz window. This technique permits accurate Raman measurements with no need for the spectrometer to be enclosed in an alpha-tight containment. It therefore allows the use of all options of the Raman spectrometer, like multi-wavelength laser excitation, different polarizations, and single or triple spectrometer modes. Some examples of measurements are shown and discussed. First, some spectral features of a highly radioactive americium oxide sample (AmO2) are presented. Then, we report the Raman spectra of neptunium oxide (NpO2) samples, the interpretation of which is greatly improved by employing three different excitation wavelengths, 17O doping, and a triple mode configuration to measure the anti-stokes Raman lines. This last feature also allows the estimation of the sample surface temperature. Finally, data that were measured on a sample from Chernobyl lava, where phases are identified by Raman mapping, are shown.

We present a technique for Raman spectroscopic analysis of highly radioactive samples compatible with any standard micro-Raman spectrometer, without any radioactive contamination of the instrument. We also show some applications using actinide compounds and irradiated fuel materials.

任意の標準的な顕微ラマン分光計を用いて高レベル放射性サンプルのラマン分析のための新規な技術

A novel approach for the Raman measurement of nuclear materials is reported in this paper. It consists of the enclosure of the radioactive sample in a ...

Non-equilibrium Microwave Plasma for Efficient High Temperature Chemistry

A flowing microwave plasma based methodology for converting electric energy into internal and/or translational modes of stable molecules with the purpose of efficiently driving non-equilibrium chemistry is discussed. The advantage of a flowing plasma reactor is that continuous chemical processes can be driven with the flexibility of startup times in the seconds timescale. The plasma approach is generically suitable for conversion/activation of stable molecules such as CO2, N2 and CH4. Here the reduction of CO2 to CO is used as a model system: the complementary diagnostics illustrate how a baseline thermodynamic equilibrium conversion can be exceeded by the intrinsic non-equilibrium from high vibrational excitation. Laser (Rayleigh) scattering is used to measure the reactor temperature and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) to characterize in situ internal (vibrational) excitation as well as the effluent composition to monitor conversion and selectivity.

This article describes a flowing microwave reactor that is used to drive efficient non-equilibrium chemistry for the application of conversion/activation of stable molecules such as CO2, N2 and CH4. The goal of the procedure described here is to measure the in situ gas temperature and gas conversion.

効率的な高温化学反応のための非平衡マイクロ波プラズマ

A flowing microwave plasma based methodology for converting electric energy into internal and/or translational modes of stable molecules with the purpose ...

Quantitative Analysis of Vacuum Induction Melting by Laser-induced Breakdown Spectroscopy

Vacuum induction melting is a popular method for refining high purity metal and alloys. Traditionally, standard process control in metallurgy involves several steps, include drawing samples, cooling, cutting, transport to the laboratory, and analysis. The whole analysis process requires more than 30 minutes, which hinders on-line process control. Laser-induced breakdown spectroscopy is an excellent on-line analysis method that can satisfy the requirements of vacuum induction melting because it is fast and noncontact and does not require sample preparation. The experimental facility uses a lamp-pumped Q-switched laser to ablate melted liquid steel with an output energy of 80 mJ, a frequency of 5 Hz, a FWHM pulse width of 20 ns, and a working wavelength of 1,064 nm. A multi-channel linear charge coupled device (CCD) spectrometer is used to measure the emission spectrum in real time, with a spectral range from 190 to 600 nm and a resolution of 0.06 nm at a wavelength of 200 nm. The protocol includes several steps: standard alloy sample preparation and an ingredient test, smelting of standard samples and determination of the laser breakdown spectrum, and construction of the elements concentration quantitative analysis curve of each element. To realize the concentration analysis of unknown samples, the spectrum of a sample also needs to be measured and disposed with the same process. The composition of all main elements in the melted alloy can be quantitatively analyzed with an internal standard method. The calibration curve shows that the limit of detection of most metal elements ranges from 20-250 ppm. The concentration of elements, such as Ti, Mo, Nb, V, and Cu, can be lower than 100 ppm, and the concentrations of Cr, Al, Co, Fe, Mn, C, and Si range from 100-200 ppm. The R2 of some calibration curves can exceed 0.94.

During vacuum induction melting, laser-induced breakdown spectroscopy is used to perform real-time quantitative analysis of the main-ingredient elements of a molten alloy.

レーザー誘起分解分光法による真空誘導融解の定量分析

Vacuum induction melting is a popular method for refining high purity metal and alloys. Traditionally, standard process control in metallurgy involves ...