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
Duration: 9 min 18 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Laser-heating and Radiance Spectrometry for the Study of Nuclear Materials in Conditions Simulating a Nuclear Power Plant Accident at JoVE.com

Forfatterne står i gæld til Kommissionen om finansiering af den foreliggende forskning under dens institutionelle forskningsprogrammer. Derudover en del af den præsenteres forskning blev finansieret gennem EF 6th ramme Program under den F-broen og 7th FP under SIKRESTE og blid projekter.

<ol>
	<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. Mater. 342, 148-163 (2005).</li><li>Manara, D., Sheindlin, M., Heinz, W., Ronchi, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+techniques+for+high-temperature+melting+measurements+in+volatile+refractory+materials+via+laser+surface+heating.">New techniques for high-temperature melting measurements in volatile refractory materials via laser surface heating.</a> Review of Scientific Instruments. 79, 113901-113908 (2008).</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=Reassessing+the+melting+temperature+of+PuO2.">Reassessing the melting temperature of PuO2.</a> Materials Today. 13, 52-55 (2010).</li><li>Kato, M., 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=Solidus+and+liquidus+temperatures+in+the+UO2-PuO2+system.">Solidus and liquidus temperatures in the UO2-PuO2 system.</a> J. Nucl. Mater. 373, 237-245 (2008).</li><li>DeWitt, D. P., Richmond, J. C., DeWitt, D. P., Nutter, G. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+radiative+properties+of+materials.">Thermal radiative properties of materials.</a> Theory and practice of radiation thermometry. , (1988).</li><li>Neuer, G., Fiessler, L., Groll, M., Schreiber, E., Schooley, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Critical+analysis+of+the+different+methods+of+multiwavelength+pyrometry.">Critical analysis of the different methods of multiwavelength pyrometry.</a> Temperature: its measurement and control in science and industry, vol. 6. , 787-789 (1992).</li><li>Jacquemain, D., 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=.">.</a> Nuclear Power Reactor Core Melt Accidents. State of Knowledge. , 1835-1838 (2015).</li><li>Manara, D., 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+ZrC-C+eutectic+structure+and+melting+behaviour:+A+high-temperature+radiance+spectroscopy+study.">The ZrC-C eutectic structure and melting behaviour: A high-temperature radiance spectroscopy study.</a> J. Eur. Ceram. Soc. 33, 1349-1361 (2013).</li><li>Manara, D., 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=On+the+melting+behaviour+of+calcium+monoxide+under+different+atmospheres:+A+laser+heating+study.">On the melting behaviour of calcium monoxide under different atmospheres: A laser heating study.</a> J. Eur. Ceram. Soc. 34, 1623-1636 (2014).</li><li>Welland, M. J., Thompson, W. T., Lewis, B. 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>

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Laser-opvarmning stråling spektroskopi teknik præsenteres her er anerkendt som en innovativ og effektiv metode til undersøgelse af meget høje temperaturer og smeltende opførsel af ildfaste materialer15, 16. Takket være sin afsides beliggenhed og næsten container-mindre karakter er det især velegnet til eksperimentelle studier af radioaktivt nukleart materiale og simulering af core nedsmeltning uheld i kernekraftværker, som det fremgår af eksemplet resultaterne præsenteres her.
Mens vurderende eksperimentelle data opnået med den nuværende metode, bør man uden tvivl være forsigtig om den korrekte tildeling af eksperimentelle point til faseovergange. I virkeligheden ved meget høje temperaturer, materielle kinetik kan være ekstremt hurtig, og flere vanskelige at kontrollere fænomener kan forekomme, såsom ikke-sammenfaldende fordampningsvarme, adskillelse og sammensatte dissociation. Som sammenligning med mere traditionelle varme metoder (som induktion ovne) viser, berettiger den mulige forekomst af sådanne fænomener brugen af en hurtig opvarmning og køling teknik som den nuværende. På den anden side kan der opstå tvivl om en effektiv stabilisering af termodynamisk ligevægt betingelser på de nuværende betingelser, varme. Som forklaret i afsnittet procedure, ikke kan sådanne vilkår garanteres under hurtig laser-opvarmning del af varmecykler. Termodynamisk ligevægt betingelser produceres dog bestemt på den kølende fase. Denne erklæring blev valideret ved hjælp af computerkoder simulerer de nuværende eksperimenter og baseret på nær ligevægt masse og varme diffusion i tilstedeværelse af lokale fase overgange11. Ikke desto mindre termodynamisk ligevægt betingelser bør altid være kontrolleret eksperimentelt, typisk ved at måle godt vurderet fase overgang temperaturer i forbindelser, der kan tages som referencer. Dette blev realiseret i den nuværende arbejde med de smeltende/størkning punkter i W, Mo (anbefales som sekundære referencetemperaturer i International temperatur omfanget af 199017,18,19), UO2, og ZrC-C eutektisk9. Måling af sådanne referencepunkter er også nødvendige for at vurdere nøjagtigheden og usikkerhed om den nuværende fremgangsmåde.
Givet de ekstreme forhold og fænomener produceret i laser-opvarmning eksperimenter, er en præcis usikkerhed analyse afgørende for anvendeligheden af de data, der er produceret. For vellykket målekampagner, skulle den kumulative usikkerhed påvirke nuværende fase overgang temperatur data beløbe sig til ± 1% af den absolutte temperatur, med en 2-standardafvigelsen dækning faktor (95% konfidensinterval). Usikkerhed bands kan være større for kompliceret materialer, hvor, for eksempel, ikke-sammenfaldende fordampningsvarme kan ændre faktiske stikprøve sammensætning i en ukontrollerbar måde under forsøgene. Denne usikkerhed bør tage hensyn til fejl på grund af kalibreringsmetode, NSE bestemmelse, prøve stabilitet (dvs. repeterbarhed, over hinanden følgende laser skud, eksperimenterende fase overgang temperaturer), osv. Et eksempel på usikkerhed analyse for smeltende/frysning punkt af PUI2 er rapporteret i tabel 1. De forskellige usikkerhed bidrag kan betragtes som uafhængig og kombinerede ifølge fejl formering lov3.
<img alt="Table 1" src="/files/ftp_upload/54807/54807table1.jpg"> 
Tabel 1: Eksempel på usikkerhed analyse for smeltende/frysning punkt af PUI2 (Reference13). Mening og værdi af c2 er rapporteret i afsnittet Introduktion med kommentarer på ligningen 1. Δελ står her for to standardafvigelser omkring den gennemsnitlige eksperimentelle værdi opnået for ελ ved at montere eksperimentelle radiance spectra inden for grå krop antagelsen. ΔTc og δTd repræsenterer to standardafvigelser omkring den gennemsnitlige standardlampe ekstrapolerede temperaturkurve og Temperaturværdi gennemsnitlige eksperimentelle størkning henholdsvis.
Nogle forbedringer kan foretages på den nuværende eksperimentelle tilgang. Især forbinder trykbeholderen med et massespektrometer gennem en kompleks rørsystemet vil giver mulighed for påvisning, i det mindste kvalitativt, af den art forekommer i damp røgfanen udgivet af varmt materiale. Desuden er gennemførelsen af en thermo-kamera forudset for to-dimensionelle studiet af temperaturfordelingen over hot prøveoverfladen for at afsløre eventuelle inhomogeneities og segregation effekter. Endelig planlægges forbedringer i det sikkerhedssystem, der er bygget op omkring den nuværende udstyr. Faktisk, den nuværende Plexiglas handske boksen bruges her er velegnet til undersøgelse af stærkt radioaktive materialer, såsom uran og transuraner, takket være det faktum, at det effektivt blokerer α stråling. Dette skjold er imidlertid ikke tilstrækkeligt sikker for undersøgelse af stærk γ udledere, ligesom de nuklider er indeholdt i ægte bestrålet nukleart brændsel. En ny facilitet, herunder en bly-walled celle er forudset for studiet af brugt nukleart brændsel fra virkelige kernekraftværker.

Selv om nuklear fission er bredt præsenteret som en lovende store, næsten uudtømmelige energikilde, er dens fuld offentlig accept stadig bremset af nogle sikkerheds-, sikkerheds- og beskyttelsesforanstaltninger risici. Den eksperimentelle tilgang præsenteres i dette arbejde har til formål at besvare nogle grundlæggende materialelære spørgsmål vedrører en af disse risici, forekomsten af alvorlige ulykker (SAs) fører til core nedsmeltning i et kernekraftværk (NPP). Dette kan resultere i en eventuel frigivelse af yderst radioaktivt materiale i miljøet, med alvorlige konsekvenser, både for menneskers helbred og for landets økonomi. Major SAs af denne type er sket tre gange i kernekraftværker, på Three Mile Island (USA, 1979), Tjernobyl (tidligere USSR, 1986), og Fukushima (Japan, 2011). Derfor, NPP SAs er fokus for betydelig forskning i et par faciliteter over hele verden, omfatter mange udfordrende fænomener og kompliceret ved meget høje temperaturer (ofte overstiger 3.000 K) og tilstedeværelsen af radioaktive materialer.
I dette scenario kræver en nyere direktiv af det Europæiske Råd1 EU lande at give højeste prioritet til nuklear sikkerhed i alle faser af livscyklussen for et atomkraftværk. Dette omfatter udføre sikkerhedsvurderinger før opførelsen af nye atomkraftværker og også sikre betydelig sikkerhed forbedringer for gamle reaktorer.
I denne sammenhæng en kontrolleret atmosfære, laser-opvarmning og hurtig radiance spectro-pyrometry facilitet2,3,4 er blevet gennemført på Europa-Kommissionens Fælles Forskningscenters Institut for Transuraner for laboratoriet simulation, på en lille skala, af NPP core nedsmeltning. På grund af den begrænsede stikprøvestørrelse (typisk på en cm - og 0,1-g-skalaen) og høj effektivitet og remote karakter af laser varme, denne tilgang tillader hurtig og effektiv høj temperatur målinger på ægte nukleare materialer, herunder plutonium og mindre actinid som indeholder fission brændstof prøver. I denne henseende, og i sin evne til at producere en stor mængde af data om materialer under ekstreme forhold, er den nuværende eksperimentelle metode anerkendt verden over som værende unik. I virkeligheden, har andre supplerende undersøgelse teknikker baseret på induktion varme vist sig at lider af hurtig høj temperatur samspillet mellem prøve materiale og indeslutning5. Desuden, hvis sådanne teknikker tillader og for det meste har brug for større mængder af materiale til analyse, er de mindre velegnet end den nuværende metode til undersøgelse af virkelige nukleare materialer, på grund af den høje radioaktivitet og begrænset tilgængelighed af prøverne.
I de nuværende eksperimenter (skematiserede i figur 1), er en prøve, monteret i en kontrolleret atmosfære autoklave indeholdt i en α-skærmet handskerummet, opvarmet af en 4,5 kW ND: YAG CW laser.
<img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig1.jpg"> 
Figur 1: Laser-varme og udstråling spectro-pyrometry eksperimentelle set-up. Prøven er fast med grafit (eller wolfram eller molybdæn) skruer i en lufttæt beholder under en kontrolleret atmosfære. Billedet rapporteret i nederste venstre hjørne viser som eksempel et PUI2 disk fast med grafit skruer. Hvis prøven er radioaktivt, skal fartøjet monteres inde i en alpha-stram handskerummet. Prøven opvarmes af en 4,5 kW ND: YAG laser på 1.064 nm. En hurtig to-kanals pyrometer bruges til optagelse prøve temperatur og den reflekterede signal fra et lavere-power Ar+ laser. En langsommere multi-kanal spectro-pyromenter er ansat i situ analyse af optiske egenskaber af den hot prøve. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig1large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
Stråling pyrometre måle prøve radians Lex. Dette er elektromagnetisk stråling effekttæthed pr. enhed overflade, bølgelængde og rumvinkel, der udsendes af eksemplet på en given temperatur6. Det hænger sammen med prøven overflade temperatur T gennem en modificeret Planck funktion:

<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/54807/54807equation1.jpg">
hvor Lλ er den radiative magt, ελ er den spektrale emissivity, c1 = 2· h· c0 2 er den første stråling konstant, c2 = h· c0/kB = 14,388 µm· K er den anden stråling konstant, c0 er lysets hastighed i vakuum, h er Planck's konstant, og kB Boltzmann konstant. Spectral emissivity tager i betragtning, at en reel krop vil udstråle, ved en givet bølgelængde og temperatur, kun en brøkdel lig magtens udsendes af et ideelt sortlegeme ved samme temperatur. Derfor tager værdier mellem 0 og 1, med 1 svarende til ideelt sortlegeme tilfældet for hvilke Planck lov blev afledt. Da pyrometre i det foreliggende arbejde var altid sat op i nærheden af normale forhold til prøveoverfladen, vinkel afhængighed af ελ fandtes ikke, og "emissivity" vil altid henvise til normal spektral emissivity (NSE). NSE skal bestemmes, for at konvertere, gennem ligning 1 og et pyrometer kalibreringsmetode, Lex i absolutte temperatur T.
Objekttemperaturen er opdaget ved hjælp af en hurtig pyrometer kalibreret mod standard lamper op til 2.500 K ved λ = 655 nm og. En ekstra 256-kanal radiance spectro-pyrometer opererer mellem 515 nm og 980 nm var ansat i studiet af NSE (ελ) af prøven. Bestemmelse af NSE er muligt ved at udfylde en ikke-lineær pasform af den termiske emission spektrum med ligningen 12, 3, T og ελ er de kun to frie parametre. Denne tilgang har vist sig for at være acceptabelt nøjagtige i ildfaste materialer7 som dem, der normalt er til stede i et Kernekraftværk, som NSE kan antages for at være bølgelængde-uafhængig (grå body hypotese) på en spektral bred. Når temperaturen af den laser-opvarmet prøve måles korrekt som funktion af tiden, kan termisk analyse udføres på den deraf følgende temperatur-tid kurven (Termogram).Bøjninger eller termisk anholdelser i thermograms give oplysninger vedrørende faseovergange (skråstreg, liquidus og isotermisk fase transformationer). Desuden, udover at være nødvendige for NSE bestemmelse, direkte spektralanalyse af radians Lex udsendes af den hot prøve også tillader en i situ -undersøgelse af nogle optiske egenskaber af de undersøgte overflade. Dette udgør en anden understøttende redskab til identifikation af høj-temperatur fænomener, som faseovergange, kemiske reaktioner mellem kondenseret materialer og gasfasen eller adskillelse effekter. En yderligere teknik kaldet afspejles lyssignal (RLS) analyse2, 3 bruges til at bekræfte faseovergange. Det foregår ved hjælp af den anden kanal af pyrometer tunet til en low-power (1 W) Ar+ laser (λ = 488 nm). Denne kanal registrerer laserstrålen stammer fra Ar+ hulrum og reflekteres af prøveoverfladen. En konstant RLS signal angiver en fast overflade, mens tilfældige svingninger vises efter smeltning på grund af overfladespænding-inducerede vibrationer på flydende prøveoverfladen.
I almindelighed, vandkølet reaktorer ved hjælp af fast brændselselementer, i øjeblikket den mest almindelige type af NPP, besidder fire successive hindringer at sikre indeslutning af radioaktivitet8. Den første barriere er, at brændstof pellet selv, takket være dens krystallinsk struktur og mikro-makroskopisk porøsitet, kan holde fast fissionsprodukter og en del af de flygtige. Generelt anbringes hele brændstof element i en metallisk (Zircaloy eller stål) beklædning, der fungerer som den anden fase beskyttelse. I tilfælde af svigt af beklædningen er den tredje barriere det hele NPP indre skib, generelt begrænset af en stål væg, der er et par cm tykke (primære system). Endelig er indeslutning bygning (m tyk beton) den sidste sikkerhedsbarriere før udsætning i miljøet.
I tilfælde af svigt af vand kølesystem, kan en NPP SA finde sted, fører til overophedning og nedsmeltning. Overophedning er i første omgang på grund af fission varme. Men manglende køling, overophedning kan også fortsætte længe efter opsigelse af nukleare kædereaktioner, på grund af den resterende henfald varme fissionsprodukter og andre stærkt radioaktive arter indeholdt i nukleare core debris. I almindelighed, starter core smelte fra den centrale del af elementet brændstof, medmindre lavere-smeltende forbindelser (eventuelt eutectics) er dannet på grænsefladen mellem brændsel og beklædning. Det første mål for den nuværende forskning består af oprettelse af om sådanne lavere-smeltende forbindelser kan dannes i ægte brændstof-beklædning systemer, og i dette tilfælde, hvad den resulterende smeltende temperatur depression ville være. For at besvare dette spørgsmål, bør den smeltende opførsel af rene og blandede brændstof forbindelser først trygt vurderes, som udgør derfor et vigtigere mål i den aktuelle metode. Hvis brændstof og beklædning smelte sammen, vil den flydende masse hurtigt falder til bunden af den primære fartøj og begynde at reagere med stål væggen og med den resterende vand og damp, hvis nogen. På dette stadium, stål kan også blive smeltet sammen med brændstof/beklædning varme blanding. Den resulterende lava-lignende væske kaldes "corium". Denne varmt, stærkt radioaktive blanding kan diffuse uden for den primære indeslutning hvis stål væggen er smeltet gennem og ender reagerer endda med den beton, der udgør den mest ydre barriere. Forhøjede varmen og den høje reaktivitet af de arter, der forekommer i corium kan føre til vand dissociation og produktion af brint. Dette kan føre til en yderligere risiko for damp og brint eksplosioner (jf. SAs på Tremileøen og Fukushima), tunge oxidation eller (mindre sandsynligt) hydrering af corium massen og de strukturelle materialer, NPP. Den nuværende eksperimentelle metode tillader adskillelse og eksperimentel analyse af flere af de mange komplekse fysisk-kemiske mekanismer relateret til de beskrevne sekvens af begivenheder. Udover de nævnte ren komponent smeltepunkt analyse og brændstof-beklædning interaktion, flere høj temperatur interaktion mekanismer kan undersøges i forenklet systemer, såsom mellem Pu-holdige brændstof og stål, mellem fuel og beton, osv. Corium dannelse kan potentielt studeres i overværelse af forskellige atmosfærer (inert gas, luft, brint eller damp), producerer vigtige referencedata for en omfattende forståelse af SAs.
Den nuværende fremgangsmåde, specielt velegnet til laboratorium undersøgelsen af høj-smeltende materialer, har også været ansat i den succesfulde analyse af andre, mere innovative former for atombrændsel (baseret, for eksempel på uran metalcarbider eller nitrider) og Andre ildfaste forbindelser, såsom zirconium9, tantal og hafnium karbider, metallic superalloys, calcium oxid10.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1498">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="142">
			<td height="142" style="height:142px;width:299px;">Two-channel fast pyrometer</td>
			<td style="width:281px;">Assembled privately</td>
			<td style="width:421px;"></td>
			<td style="width:497px;">Fast pyrometer. Photodiode detectors at 650 nm and 488 nm, assembled with focussing objective and fast logarithmic amplifier.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:299px;">Laser TRUMPF HLD4506, TRUMPF,&#160;</td>
			<td style="width:281px;">TRUMPF Schramberg, Germany</td>
			<td style="width:421px;">HLD4506</td>
			<td>Heating agent</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:299px;">CDI spectrometer</td>
			<td style="width:281px;">CDI</td>
			<td style="width:421px;">Optical Spectrograph card, 256 channels</td>
			<td>Multi-wavelength spectro-pyrometer array&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:299px;">Ar+ laser</td>
			<td style="width:281px;">Ion Laser Technology</td>
			<td style="width:421px;">5500A-00</td>
			<td>0.75 W RLS laser</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:299px;">Oscilloscope NICOLET</td>
			<td style="width:281px;">NICOLET, Madison, Wi, USA</td>
			<td style="width:421px;">Pro 44C Transient Digitizer</td>
			<td>AD converter, data acquisition system</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:299px;">SETNAG Oxygen analyser</td>
			<td style="width:281px;">SETNAG, Marseille, France</td>
			<td style="width:421px;">JC24V-M</td>
			<td>ZrO2 electrochemical cell for oxygen analysis in the autoclave</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:299px;">Blackbody source</td>
			<td style="width:281px;">POLYTECH CI Waldbronn, Germany</td>
			<td style="width:421px;">Customized</td>
			<td>Black body source for spectro-pyrometer calibration</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:299px;">Standard calibration lamps</td>
			<td style="width:281px;">POLARON, Watford, UK</td>
			<td style="width:421px;">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

Store og alvorlige ulykker er sket tre gange i kernekraftværker (kernekraftværker), på Three Mile Island (USA, 1979), Tjernobyl (tidligere USSR, 1986) og Fukushima (Japan, 2011). Forskning om årsager og dynamik og konsekvenserne af disse uheld er udført i et par laboratorier over hele verden i de sidste tre årtier. Fælles mål for sådanne forskningsaktiviteter er: forebyggelse af disse typer af ulykker, både i eksisterende og potentielle nye nukleare anlæg; minimering af deres eventuelle konsekvenser; og i sidste ende, en fuld forståelse af de reelle risici forbundet med kernekraftværker. På den europæiske Kommissionens Fælles Forskningscenters Institut for transuraner bruges en laser-opvarmning og hurtig radiance spectro-pyrometry facilitet for laboratoriet simulation, på en lille skala, af NPP core nedsmeltning, den mest almindelige type af svær ulykke (SA) der kan opstå i en atomreaktor som følge af en fejl i kølesystemet. Denne simulering værktøj tillader hurtig og effektiv høj temperatur målinger på ægte nukleare materialer, såsom plutonium og mindre actinid som indeholder fission brændstof prøver. I denne henseende, og i sin evne til at producere store mængder af data om materialer under ekstreme forhold, er den nuværende eksperimentelle tilgang helt sikkert unikke. For nuværende og fremtidige koncepter af NPP, eksempel resultaterne præsenteres på den smeltende opførsel af nogle forskellige typer af atombrændsel: uran-plutonium oxider, karbider og nitrider. Resultater i høj temperatur samspillet af oxid brændstoffer med indeslutnings materialer vises også kortvarigt.

Figur 3 viser reelle temperatur thermograms målt på uran kuldioxid med forskellige oxidation niveauer (UO2 + x med 0 &#60; x &#60; 0,21)2. Uran kuldioxid er en afgørende faktor i de mest almindelige brændstof i nuværende kernekraftværker. Dets oxidation til forskellige ilt hyper-støkiometrisk niveauer kan forekomme i normale og off normal reaktor betingelser12. Med den nuværende metode, var det vist at UO2 oxidation kan resultere i et dramatisk fald i dens smeltepunkt/størkning punkt af op til 700 K. I dette tilfælde havde eksperimenter foretages en temmelig høj inaktiv gas pres (han på 10 MPa) for at undertrykke den meget ikke-sammenfaldende fordampningsvarme ved høje temperaturer.
<img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig3.jpg"> 
Figur 3: Thermograms målt på laser-opvarmet støkiometriske og hyperstoichiometric uran kuldioxid prøver (efter 2). Et eksempel dobbelt-puls laser profil er vist i grafen. Thermograms er optaget for flere UO2 + x kompositioner. Størkning anholdelser forekomme ved betydeligt forskellige temperaturer og med forskellige funktioner, afhængig af prøven sammensætningen, afslørende evolution af smeltende/indefrysning temperatur og størkning dynamikken i U-O-systemet. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig3large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
Figur 4 viser pyrometer (lige linje) og spectro-pyrometer thermograms optaget på en plutonium kuldioxid prøve laser opvarmet under en oxiderende atmosfære (komprimeret luft på 0,3 MPa). PUI2 er også en væsentlig nukleart brændsel komponent. I den samme figur vises to radiance spectra målt ved spectro-pyrometer ved forskellige temperaturer også i mellemværker, sammen med kurver montering eksperimentelle data og de tilsvarende T og ελ -værdier. Takket være den nuværende undersøgelse, blev PUI2 smelter/indefrysning temperatur revurderes for at være 3,017 K ± 28 K, over 300 K højere end tidligere indikeret af mere traditionelle varme metoder. Disse metoder givet resultater sikkert påvirket af omfattende høj temperatur interaktioner mellem prøve og indeslutning, et problem, der har været stort set løst med remote varme fremgangsmåde.
<img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig4.jpg"> 
Figur 4: Thermograms målt på en plutonium kuldioxid prøve laser opvarmet til over smeltepunktet. Vigtigste graf: den sorte streg og de fulde sorte cirkler repræsenterer thermograms indspillet på en PUI2 prøve under en oxiderende atmosfære af den hurtige pyrometer og multi bølgelængde spectro-pyrometer, henholdsvis. Hvide cirkler repræsenterer de spektrale emittance værdier opnået ved at montere eksperimentelle radiance data med Planck's radiance lov12. De to mellemværker Vis eksempel spektre registreret (sorte cirkler) og monteret (røde streger) i flydende og frysende PUI2, henholdsvis i grå krop antagelsen. I disse parceller, radians Lλ er normaliseret til den første stråling konstant c1 for nemheds skyld. De vigtigste Termogram blev opnået ved hjælp af en gennemsnitlig konstant emittance på 0,83. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig4large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
Figur 5 viser en serie af laser-opvarmning pulser udføres på en blanding af UO2 og ZrO2 under forskellige atmosfærer. Denne test er repræsentant for forhold, der kan fremstilles i tilfælde af utilsigtet temperatur udflugt i en NPP. Smeltende/størkning punkt opstår ved en brønd-repeatable temperatur over hinanden følgende skud hvis eksperimenter er udført i argon. På den anden side smelter/størkning temperaturen falde over laser skud hvis laser-opvarmning cyklusser er udført i komprimeret luft. Dette viser, at i sidstnævnte tilfælde prøven bliver i stigende grad oxideres under laser-opvarmning behandlinger. Også, i tilfælde af blandet UO2- ZrO2 oxider, et smeltepunkt depression opstår i ilt hyper-Støkiometrisk forhold.
<img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig5.jpg"> 
Figur 5: Thermograms målt blandet UO2- ZrO2 prøver i trykisoleret argon og luft. Smeltende/størkning punkt opstår ved en brønd-repeatable temperatur over hinanden følgende skud hvis eksperimenter er udført i argon (sort thermograms). På den anden side smelter/størkning temperaturen falde over laser skud hvis laser-opvarmning cyklusser er udført i komprimeret luft (grøn thermograms). <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig5large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
Et yderligere eksempel vedrører en anden slags materiale, uran dicarbide. Dette er forudset som et muligt materiale til et alternativt koncept af nukleart brændsel, potentielt arbejder ved højere temperaturer og reducerer risikoen for en nedsmeltning ulykke. En ny sammensætning, som indeholder et stort overskud af kulstof (nominelt UC2.8) blev undersøgt for første gang med den nuværende metode14. I dette tilfælde blev UC2- C eutektisk temperaturen, etableret på 27,37 K ± 20 K, brugt som radiance reference sammen med cubic-tetragonal (α→β) solid-state overgangen, fast på 2,050 K ± 20 K. NSE af det kulstof-rige sammensatte blev målt til at øge op til 0,7 på 650 nm, mens værdien ελ = 0,53 blev etableret for ren uran dicarbide på grænsen af regionen eutektisk. Denne stigning blev analyseret i lyset af demixing overskydende kulstof og anvendes til bestemmelse af liquidus temperatur (3,220 ± 50 K for UC2.8). På grund af hurtig solid-state diffusion, også fremmet af cubic-tetragonal overgangen, kunne ingen tydelige tegn på et gråt eutektisk struktur konstateres efter dæmper til stuetemperatur. Eutektisk overflade C/UC2-x sammensætning kunne kvalitativt, men konsekvent, følges under køling processen ved hjælp af de registrerede radiance spektre, som vist i tal 6 en og b.Interessant, viste nuværende NSE analysen, der henviser til, at i den flydende fase den eksterne væske overflade var næsten udelukkende består af uran dicarbide, fik det hurtigt beriget med demixed carbon ved frysning. Demixed carbon syntes at hurtigt migrere mod den indre bulk under yderligere afkøling. Ved α→β overgang dækker uran dicarbide igen næsten hele ydre overflade. Alle disse oplysninger på meget høj temperatur materielle adfærd er afgørende for analysen af denne type af sammensatte ved ukontrolleret temperaturstigning i reaktorkernen. De var udledt kun på grundlag af radiance spektroskopi analyse, der henviser til, at de ville være næsten ikke tilgængelig for nogen anden eksperimentel undersøgelse teknik.
<img alt="Figure 6" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig6.jpg"> 
Figur 6: Termogram og radiance spectra målt på en UC2.8 prøve i trykisoleret argon14. en) den kølende fase af en Termogram indspillet på en UC2.8 prøve. Fuld cirkler identificere tidspunkter hvor radiance spectra blev indspillet af spectro-pyrometer. b) fire eksempler på radiance spektre registreret ved forskellige temperaturer. En af dem blev indspillet i flydende UC2.8, mens de andre tre svarer til de termiske anholdelser synlige i figur 5a. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig6large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Laser-heating and Radiance Spectrometry for the Study of Nuclear Materials in Conditions Simulating a Nuclear Power Plant Accident at JoVE.com

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

Vi præsenterer eksperimenter i hvilke reelle kernebrændsel, beklædning, og indeslutnings materialer er laser opvarmes til temperaturer over 3.000 K, mens deres opførsel er studeret af radiance spektroskopi og termisk analyse. Disse eksperimenter simulere på laboratorie plan, dannelsen af en lava-fase efter en atomreaktor core nedsmeltning.

Laser-varme og udstråling massespektrometri for studiet af nukleare materialer i betingelser simulerer et atomkraftværk ulykke

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

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Chemistry

Radioactivity and Nuclear Chemistry

SCIENTISTS IN ACTION

Untargeted Metabolomics from Biological Sources Using Ultraperformance Liquid Chromatography-High Resolution Mass Spectrometry (UPLC-HRMS)

Untargeted Metabolomics from Biological Sources Using Ultraperformance Liquid Chromatography-High Resolution Mass Spectrometry UPLC-HRMS

Målrettede Metabolomics fra biologiske kilder Brug Ultraperformance væskekromatografi-højopløsningsmassespektrometri (UPLC-HRMS)

Here we present a workflow to analyze the metabolic profiles for biological samples of interest including; cells, serum, or tissue. The sample is first ...

Dissolution Dynamic Nuclear Polarization Instrumentation for Real-time Enzymatic Reaction Rate Measurements by NMR

Opløsning Dynamic Nuclear Polarisering Instrumentation for Real-time enzymatisk reaktion Rate Målinger ved NMR

The main limitation of NMR-based investigations is low sensitivity. This prompts for long acquisition times, thus preventing real-time NMR measurements of ...

Sequencing of Plant Wall Heteroxylans Using Enzymic, Chemical (Methylation) and Physical (Mass Spectrometry, Nuclear Magnetic Resonance) Techniques

Sequencing of Plant Wall Heteroxylans Using Enzymic, Chemical Methylation and Physical Mass Spectrometry, Nuclear Magnetic Resonance Techniques

Sekventering af Plant Wall Heteroxylans Brug Enzymatisk, Chemical (Methylering) og fysiske (massespektrometri Nuclear Magnetic Resonance) Teknikker

This protocol describes the specific techniques used for the characterization of reducing end (RE) and internal region glycosyl sequence(s) of ...

Investigations on the Ga(III) Complex of EOB-DTPA and Its 68Ga Radiolabeled Analogue

Investigations on the GaIII Complex of EOB-DTPA and Its 68Ga Radiolabeled Analogue

Undersøgelser på Ga (III) Kompleks af EOB-DTPA og dens<sup&gt; 68</sup&gt; Ga Radiomærket Analog

We demonstrate a method for the isolation of EOB-DTPA (3,6,9-triaza-3,6,9-tris(carboxymethyl)-4-(ethoxybenzyl)-undecanedioic acid) from its Gd(III) ...

In Situ Detection and Single Cell Quantification of Metal Oxide Nanoparticles Using Nuclear Microprobe Analysis

In Situ Detection and Single Cell Quantification of Metal Oxide Nanoparticles Using Nuclear Microprobe Analysis

In Situ Påvisning og enkelt celle kvantificering af Metal metaloxid bruger nukleare Microprobe analyse

Micro-analytical techniques based on chemical element imaging enable the localization and quantification of chemical composition at the cellular level. ...

Synthesis of High Purity Nonsymmetric Dialkylphosphinic Acid Extractants

Syntese af høj renhed Nonsymmetric Dialkylphosphinic syre Extractants

We present the synthesis of (2,3-dimethylbutyl)(2,4,4&#39;-trimethylpentyl)phosphinic acid as an example to demonstrate a method for the synthesis of high ...

Chemical Synthesis of Porous Barium Titanate Thin Film and Thermal Stabilization of Ferroelectric Phase by Porosity-Induced Strain

Kemisk syntese af porøse Barium Titanate tynd Film og termisk stabilisering af Ferroelectric fase af porøsitet-induceret stamme

Barium titanate (BaTiO3, hereafter BT) is an established ferroelectric material first discovered in the 1940s and still widely used because of its ...

Automated 90Sr Separation and Preconcentration in a Lab-on-Valve System at Ppq Level

Automated 90Sr Separation and Preconcentration in a Lab-on-Valve System at Ppq Level

Automatiseret 90Sr adskillelse og Preconcentration i et Lab på ventil System på Ppq niveau

A quick, automated and portable system for the separation and determination of radiostrontium in aqueous samples, using Sr-resin and multi sequential flow ...

Spatiotemporally Controlled Nuclear Translocation of Guests in Living Cells Using Caged Molecular Glues as Photoactivatable Tags

Spatiotemporally kontrolleret nuklear translokation af gæster i levende celler ved hjælp af bur molekylære lim som Photoactivatable Tags

The cell nucleus is one of the most important organelles as a subcellular drug-delivery target, since modulation of gene replication and expression is ...

U2O5 Film Preparation via UO2 Deposition by Direct Current Sputtering and Successive Oxidation and Reduction with Atomic Oxygen and Atomic Hydrogen

U2O5 Film Preparation via UO2 Deposition by Direct Current Sputtering and Successive Oxidation and Reduction with Atomic Oxygen and Atomic Hydrogen

U2O5 Film forberedelse via UO2 Deposition af jævnstrøm Sputtering og Successive Oxidation og reduktion med atomare ilt og Atomic brint

We describe a method to produce U2O5 films in situ using the Labstation, a modular machine developed at JRC Karlsruhe. The Labstation, an essential part ...