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

המחברים חבים הנציבות האירופית למימון המחקר הנוכחי תחת תוכניות המחקר המוסדית שלה. בנוסף, חלק המחקר הציג מומן באמצעות EC 6th במסגרת תוכנית תחת הפרויקט F-גשר ופרויקטים 7th FP תחת SAFEST את ועדין.

<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>

המחברים אין לחשוף.

הטכניקה ספקטרוסקופיה הקרינה לייזר-חימום המובאת כאן מזוהה בתור שיטה חדשנית ויעילה עבור החקירה של התנהגות מאוד בטמפרטורות גבוהות ולא ההיתוך של חומרים עקשן15, 16. הודות טבעו מרחוק, כמעט מיכל-פחות, זה מתאים במיוחד עבור לימוד ניסיוני של חומרים גרעיניים רדיואקטיבי, הסימולציה של הליבה המשבר תאונות רכיבי Npp, כפי שהראה תוצאות הדוגמה המובאת כאן.
בעוד נתוני הניסוי בהערכת שהושג עם השיטה הנוכחית, יש ללא ספק להזהר על המשימה הנכון של נקודות ניסיוני שלב מעברים. למעשה, בטמפרטורות גבוהות מאוד, קינטיקה גשמי יכול להיות מהיר במיוחד, כמה קשה-עד-פקד תופעות עלולות להתרחש, כגון אידוי שאינם קונגרואנטי, סגרגציה, דיסוציאציה מורכבים, וכו '. כמו ההשוואה עם שיטות מסורתיות יותר חימום (כמו אינדוקציה תנורים) מדגים, התרחשות אפשרית של תופעות כאלה מצדיקה את השימוש מהר חימום וקירור טכניקה כמו הנוכחי. מצד שני, ספקות שעלולים להתעורר על ייצוב יעיל של תנאי שיווי משקל תרמודינמי בתנאים חימום הנוכחיים. כפי שהוסבר בסעיף ההליך, אין אפשרות להבטיח תנאים במהלך החלק לייזר-חימום מהיר של מחזוריות תרמי. עם זאת, תנאי שיווי משקל תרמודינמי מיוצרים בהחלט על הבמה קירור. הצהרה זו היה מאומת עם העזרה של קוד מחשב המדמה את הניסויים הנוכחיים, ועל סמך ליד שיווי משקל המוני ובהפצה חום בנוכחות מעברים מקומיים שלב11. למרות זאת, שיווי משקל תרמודינמי תנאים צריך תמיד להיות הצלבת ניסיוניים, בדרך כלל על ידי מדידת היטב המוערך שלב המעבר טמפרטורות תרכובות שאפשר לקחת כהפניות. זה מומש בשנת העבודה הנוכחית עם נקודות התכה/התמצקות של W, מו (מומלץ כמו טמפרטורות הפניה משנית בסולם הבינלאומי טמפרטורה של 199017,18,19), אז פרט להתמחות2, ZrC-C התזת9. מדידת נקודות התייחסות כזו נחוץ גם כדי להעריך את הדיוק ואת אי הוודאות של הגישה הנוכחית.
בהתחשב בתנאים קיצוניים והתופעות מיוצר הניסויים לייזר-חימום, ניתוח מדויק אי ודאות הוא בעל חשיבות עליונה עבור השימושיות של הנתונים הופק. עבור קמפיינים מוצלחים מדידה, הוודאות המצטבר להשפיע על הנתונים טמפרטורת מעבר השלב הנוכחי צריך כמות ±1% של הטמפרטורה המוחלט, עם גורם כיסוי 2--סטיית התקן (95% ביטחון). יות אי-ודאות יכולות להיות גדולות עבור חומרים מסובכים, שבו, לדוגמה, אידוי שאינם קונגרואנטי עשויים להשתנות הרכב מדגם בפועל באופן בלתי נשלט במהלך הניסויים. אי-וודאות כזה צריך לקחת בחשבון את השגיאות בשל ההליך כיול, הקביעה NSE, דוגמת יציבות (קרי, הדיר, משקאות לייזר רצופים, ניסיוני שלב המעבר טמפרטורות), וכו '. דוגמה של חוסר ודאות ניתוח נקודת התכה הקפאה של PuO2 הוא דיווח בטבלה 1. התרומות ודאות שונים יכול להיחשב משולב על פי חוק הפצת שגיאה3ועצמאיות.
<img alt="Table 1" src="/files/ftp_upload/54807/54807table1.jpg"> 
טבלה 1: דוגמה של חוסר ודאות ניתוח נקודת התכה הקפאה של PuO2 (הפניה13). המשמעות והערך של c2 הוא דיווח במקטע מבוא עם ההערות על משוואה 1. Δחדוהλ עומד כאן על שתי סטיות תקן סביב הערך ניסיוני הממוצע שהתקבל עבור חדוהλ הולם radiance ניסיוני ספקטרה בתוך ההנחה גופו האפור. ΔTc ו- δTd מייצגים שתי סטיות תקן בסביבה עקומת הטמפרטורה משוערים מנורה רגיל ממוצע ואת הערך הטמפרטורה הממוצעת התמצקות ניסיוני, בהתאמה.
כמה שיפורים יכול להתבצע על הגישה ניסיוני הנוכחי. בפרט, חיבור הספינה לחץ עם ספקטרומטר מסה באמצעות מערכת צינור מורכב תאפשר הזיהוי, לפחות איכותית, המינים נוכח הפלומה אדי שפורסמו על ידי החומר חם. יתר על כן, מימוש מצלמה תרמית היא לחזות לצורך המחקר דו-ממדית של התפלגות הטמפרטורה על פני לדוגמה חמים כדי לזהות inhomogeneities אפשרי ואפקטים סגרגציה. לבסוף, שיפורים במערכת בטיחות סביב הציוד הנוכחי הם לצפות מראש. למעשה, המשמש כאן הכפפות פרספקס הנוכחי מתאים המחקר של חומרים רדיואקטיבי, כגון אורניום, אלמנטים טראנס אורנוס, בזכות העובדה כי היא חוסמת ביעילות α קרינה. עם זאת, את המגן אינה בטוחה מספיק עבור החקירה של קרינת γ חזקה, כמו כייחוס הכלול ממש לקרינה דלק גרעיני. מתקן חדש כולל תא עם קירות העופרת היא לחזות לחקר והדלק הגרעיני מגיע רכיבי Npp אמיתי.

למרות ביקוע גרעיני מוצג בהרחבה כמקור אנרגיה בקנה מידה גדול, כמעט בלתי נדלים מבטיח, קבלתה לעיני הציבור עדיין מתעכבת על ידי כמה בטיחות, אבטחה וסיכונים בשמירה הגישה ניסיוניים שהוצגו עבודה זו שמטרתה לענות על שאלות יסוד הנדסת חומרים הנוגעים לאחד את הסיכונים הללו, המופע של תאונות חמורות (SAs) המוביל אל הליבה המשבר בתחנת כח גרעינית (NPP). זה יכול לגרום לשחרור אפשרי של חומר רדיואקטיבי ביותר בסביבה, עם השלכות חמורות, הן עבור בריאותם של האנשים והכלכלה של המדינה. רס ן שיוכי אבטחה מסוג זה התרחשו שלוש פעמים ב רכיבי Npp, על אי שלושת המילין (ארה ב, 1979), צ'רנוביל (ברית המועצות לשעבר, 1986), Fukushima (יפן, 2011). לפיכך, NPP SAs הם המוקד במחקר מספר מתקנים ניכרת של תופעות מאתגרות רבות ברחבי העולם, ההיקף ומורכב בטמפרטורות גבוהות מאוד (לעתים קרובות עולה על 3,000 K), הנוכחות של חומרים רדיואקטיביים.
בתרחיש זה, הוראה זה התבצעה על ידי המועצה האירופית1 מחייבת מדינות האיחוד האירופי להעניק לבטיחות גרעינית העדיפות הגבוהה ביותר בכל שלבי מחזור החיים של תחנת כח גרעינית. זה כולל ביצוע הערכות בטיחות לפני הקמת תחנות כוח גרעיניות חדשים ולהבטיח גם שיפורי בטיחות משמעותיים עבור כורים ישנים.
בהקשר זה, באווירה מבוקרת, לייזר-חימום מהיר radiance ספקטרו-pyrometry מתקן2,3,4 יושמה בנציבות האירופית של המכון של מרכז מחקר משותף אלמנטים טראנס אורנוס עבור הסימולציה מעבדה, בקנה מידה קטן, של NPP הליבה המשבר. בשל גודל המדגם מוגבלת (בדרך כלל ב ס מו -0.1-g-מידה) יעילות גבוהה ואת הטבע מרחוק של לייזר חימום, זו היתרי גישה מהירה, יעילה מדידות טמפרטורה גבוהה על חומרים גרעיניים אמיתי, כולל פלוטוניום מינור אקטיניד המכילות ביקוע דלק דגימות. במובן זה, בהיכולת לייצר כמות גדולה של נתונים הנוגעים החומרים בתנאים קיצוניים, השיטה הניסיונית הנוכחית היא מוכרת ברחבי העולם כמו להיות ייחודי. למעשה, טכניקות חקירה משלימה אחרות מבוסס על חימום השראתי הוכחו סובלים מהירה בטמפרטורות גבוהות האינטראקציות בין דגימת חומר ובלימה,5. בנוסף, אם טכניקות אלה מאפשרות בעיקר צריך כמויות גדולות יותר של חומר עבור ניתוח, הם פחות מתאים מאשר השיטה הנוכחית עבור החקירה של חומרים גרעיניים אמיתי, עקב רדיואקטיביות גבוהה המוגבל של הדגימות.
בניסויים הנוכחית (schematized באיור 1), מדגם, הוטענו של החיטוי באווירה מבוקרת הכלול מוגן-α הכפפות, מחומם על ידי 4.5-kW CW nd: yag לייזר.
<img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig1.jpg"> 
איור 1: לייזר- והחימום radiance ספקטרו-pyrometry ניסיוני הקמה. המדגם קבוע עם ברגים גרפיט (או טונגסטן או מוליבדן) בתוך קיבול גז חזק תחת באווירה מבוקרת. התמונה דיווח בפינה השמאלית התחתונה מראה, לדוגמה, דיסק2 PuO קבועה עם ברגים גרפיט. אם המדגם הוא רדיואקטיבי, כלי הקיבול צריך להיות מותקן בתוך קופסת הכפפות אלפא-חזק. המדגם מחומם על ידי 4.5-kW nd: yag לייזר-1064 ננומטר. Pyrometer מהר שני ערוצים משמש להקלטת הטמפרטורה לדוגמה, משתקף האיתות לייזר Ar+ צריכת חשמל נמוכה יותר. ספקטרו-pyromenter איטי יותר מרובה ערוצים הוא מועסק לניתוח ב באתרו של התכונות האופטיות של המדגם חם. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
קרינה מדחומים דיגיטלים ניחים וניידים למדוד את הדגימה radiance Lלשעבר. זוהי צפיפות הכוח קרינה אלקטרומגנטית לפי יחידת השטח, אורך גל, זווית מרחבית הנפלטת המדגם בטמפרטורה נתונה6. הוא מקושר את הדגימה טמפרטורת פני השטח T באמצעות פונקציה פלאנק ששונה:

<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/54807/54807equation1.jpg">
איפה Lλ הכוח קרינה, חדוהλ הוא אמיסיביות ספקטרלי, c1 = ילדון h· ג0 2 הוא קרינה קבועה, הראשון c2 = h· ג0/kB = 14,388 µm· K הוא קבוע קרינה השני, c0 הוא מהירות האור בואקום, h הוא קבוע פלאנק, קבוע בולצמן kB . אמיסיביות ספקטרלי לוקח בחשבון העובדה להקרין יהיה גוף אמיתי, אורך גל מסוים, טמפרטורה, רק חלק קטן שווה של הכוח הנפלטת הבולע אידיאלי בטמפרטורה זהה. לפיכך, מקבל ערכים בין 0 ל- 1, עם 1 המתייחס המקרה הבולע אידיאלי עבור החוק של פלאנק אשר נגזר. מאז מדחומים דיגיטלים ניחים וניידים בשנת העבודה הנוכחית סידרו תמיד ליד רגיל ביחס השטח לדוגמה, התלות זווית של חדוהλ לא נחשב, "אמיסיביות" יהיה תמיד מתייחסים אמיסיביות ספקטרלי נורמלי (NSE). NSE צריכה להיקבע על מנת להמיר, באמצעות משוואה 1 והליך הכיול pyrometer, Lex לתוך טמפרטורה מוחלטת טי
הטמפרטורה דגימה מזוהה באמצעות pyrometer מהר מכויל נגד מנורה רגילה עד 2,500 K-λ = 655 nm ו. Radiance 256 ערוצים נוספים ספקטרו-pyrometer הפועלים בין 515 nm ו 980 nm הועסק לחקר NSE (חדוהλ) של המדגם. קביעת NSE אפשרי על-ידי השלמת התאמה ליניארי של ספקטרום הפליטה תרמי עם משוואה 12, 3, T חדוהλ להיות רק שני הפרמטרים חינם. גישה זו כבר הוכיחה להיות מדויקת המתחיל בחומרים עקשן7 כמו אלה המצויים בדרך כלל NPP, אשר ניתן להניח NSE להיות אורך גל-עצמאית (השערת גופו האפור) רחב ספקטרלי. ברגע הטמפרטורה של המדגם מחומם-לייזר נמדד כראוי כפונקציה של הזמן, ניתן לבצע אנליזה תרמית על העקומה המתקבלת טמפרטורה-זמן (תמוגרפיה).נטיות או מעצרים תרמי ב thermograms לתת מידע הקשור מעברי פאזה (סולידוס liquidus, שלב איזותרמי המרות). יתר על כן, מלבד היותו הכרחי לקביעת NSE, ניתוח ספקטרלי ישירה של radiance Lex הנפלטת המדגם חם מאפשרת גם של מחקר ב באתרו של כמה התכונות האופטיות של המשטח למד. זה מהווה כלי תמיכה נוסף לצורך זיהוי תופעות בטמפרטורה גבוהה, כגון מעברי פאזה, תגובות כימיות בין חומרים מרוכז לבין שלב גז, או סגרגציה אפקטים. טכניקה נוספת בשם משתקף האור אות (RLS) ניתוח2, 3 משמש כדי לאשר מעברי פאזה. . הוא מנוהל על-ידי שימוש בערוץ השני של pyrometer מכוון לתחנה צריכת חשמל נמוכה (1 W) Ar+ לייזר (λ = 488 ננומטר). ערוץ זה מזהה את קרן הלייזר שמקורם חלל Ar+ , בא לידי ביטוי פני מדגם. אות RLS קבוע מצביע על משטח יציב, בעוד תנודות אקראיות מופיעים לאחר התכה עקב תנודות הנוצרות על-ידי מתח על פני מדגם נוזלי.
באופן כללי, כורים water-cooled באמצעות מכלי דלק מוצק, כיום היא הסוג הנפוץ ביותר של NPP, בעלי ארבעה מחסומים רצופים כדי להבטיח את הבלימה של רדיואקטיביות8. המחסום הראשון הוא בגדר דלק עצמו, בזכות המבנה הגבישי שלה מיקרו-מאקרוסקופית נקבוביות, באפשרותך להחזיק את מוצרי ביקוע מוצק וחלק אלו נדיפים. באופן כללי, הרכיב הדלק כולו ממוקם על חיפוי מתכתי (Zircaloy או פלדה) שעובדת כמו השלב השני של הגנה. במקרה של כשלון חיפוי, המחסום השלישי הוא כל NPP הפנימי הכלי, באופן כללי התחומה קיר פלדה כמה ס מ עבה (מערכת הראשית). לבסוף, הכלילה בניין (בטון בעובי מטר) היא המכשול האחרון בטיחות לפני שחרורו לסביבה.
במקרה של כשל של מערכת קירור המים, SA NPP יכול להתרחש, המוביל אל ליבה של התחממות יתר, יהיה בסדר. התחממות יתר היא בתחילה בשל החום ביקוע. עם זאת, בהיעדר קירור, התחממות יתר יכולים גם להמשיך זמן רב לאחר הסיום של תגובות שרשרת גרעיניות, בשל שיורית קרינת החום של מוצרי ביקוע, מינים אחרים-רדיואקטיבי הכלולים ההריסות ליבה גרעינית. באופן כללי, הליבה להמיס יתחיל מהחלק המרכזי של רכיב דלק, אלא אם כן תרכובות התכה נמוכה יותר (אולי eutectics) נוצרות על הממשק בין דלק חיפוי. המטרה הראשונה של המחקר הנוכחי מורכב הקמת אם תרכובות כגון התכה נמוכה יותר יכול להיווצר במערכות ממש דלק-חיפוי, ומאיזו, במקרה זה, וכתוצאה מכך נמס בטמפרטורה דיכאון. על מנת לענות על שאלה זו, ההתנהגות ההיתוך של תרכובות דלק טהור ומערבבים אותו לראשונה וצריך עמוקה להעריך, אשר ולפיכך מהווה מטרה חשובה אפילו יותר של הגישה הנוכחית. אם דלק, חיפוי ממיסים יחד, המסה נוזלי במהירות ליפול לתחתית הכלי העיקרי ולהתחיל להגיב עם הקיר פלדה ועם הנותרים מים קיטור, אם בכלל. בשלב זה, פלדה ניתן גם ניתן להמיס יחד עם הדלק/חיפוי חם תערובת. הנוזל כמו לבה המתקבל נקרא "corium". תערובת זו חם, רדיואקטיבי מאוד יכול מפוזר בחוץ ההכלה הראשי אם הקיר פלדה מומס דרך ובסוף להגיב אפילו עם הבטון המהוות את מחסום החיצוני ביותר. החום גבוהות תגובתיות גבוהה של נוכח corium המין האנושי יכול להוביל מים דיסוציאציה ואת הייצור של מימן. התוצאה עלולה להיות סיכון נוספים של פיצוצים אדים ומימן (.cf. ה-SAs אי שלושת המילין, Fukushima), חמצון כבד, או בהתייבשות (פחות סביר) של corium החומרים מבניים NPP ובמסתם. השיטה הניסיונית הנוכחית מאפשרת את ההפרדה ניתוח ניסיוני במספר של המנגנונים physicochemical מורכבים רבים הקשורים רצף האירועים המתוארים. מלבד הרכיב טהור שהוזכרו התכה ניתוח ואת האינטראקציה דלק-חיפוי, מספר טמפרטורה גבוהה האינטראקציה מנגנונים יכול ייחקרו במערכות פשוטה, כגון בין דלק המכילים Pu פלדה, בין דלק ובטון, וכו '. היווצרות corium פוטנציאלי יכול להילמד בנוכחות אווירה שונה (גז אינרטי, אוויר, עקבות של מימן או אדים), הפקת נתונים הפניה חשובה להבנה מקיפה של שיוכי אבטחה.
הגישה הנוכחית, מתאים במיוחד עבור החקירה מעבדה של גבוהה המסת חומרים, ננקטה גם לניתוח מוצלח של אחרים, חדשניות יותר סוגי דלקים גרעינית (בהתאם, לדוגמה, אורניום carbides או nitrides), חומרים עקשן אחרים, כגון carbides9, טנטלום, הפניום זירקוניום, superalloys מתכתי, סיד10, וכו '.

<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

גדולה וחמורה תאונות התרחשו שלוש פעמים ב תחנות כוח גרעיניות (רכיבי Npp), על אי שלושת המילין (ארה ב, 1979), צ'רנוביל (ברית המועצות לשעבר, 1986), Fukushima (יפן, 2011). מחקר על הסיבות, דינמיקה, וההשלכות של תקריות אלה בוצעו כמה מעבדות ברחבי העולם בשלושת העשורים האחרונים. הן מטרות משותפות של פעילויות מחקר כגון: מניעת סוגים אלה של תאונות, שניהם קיימים ופוטנציאליים ניו תחנות כוח גרעיניות; צמצום ההשלכות שלהם בסופו של דבר; בסופו של דבר, הבנה מלאה של הסיכונים האמיתי קשור רכיבי Npp. -המכון הוועדה המשותפת מחקר המרכז האירופי של אלמנטים טראנס אורנוס, מתקן לייזר-חימום ומהר radiance ספקטרו-pyrometry משמש סימולציה מעבדה, בקנה מידה קטן, של NPP הליבה המשבר, הסוג הנפוץ ביותר של חמור תאונה (SA) שיכולים להתרחש בתוך כור גרעיני בשל כשל של מערכת הקירור. כלי סימולציה זה מאפשר מדידות טמפרטורה גבוהה מהיר ויעיל על חומרים גרעיניים אמיתי, כמו פלוטוניום ודוגמאות קלות המכילות אקטיניד ביקוע דלק. במובן זה, בהיכולת לייצר כמות גדולה של נתונים הנוגעים החומרים בתנאים קיצוניים, הגישה ניסיוני הנוכחית היא ללא ספק ייחודית. עבור מושגים הנוכחיים והעתידיים של NPP, דוגמה התוצאות מוצגים על ההתנהגות ההיתוך של כמה סוגים שונים של דלק גרעיני: תחמוצות אורניום-פלוטוניום carbides, nitrides. בקצרה גם מוצגות תוצאות האינטראקציה בטמפרטורות גבוהות של תחמוצת דלקים מחומרים הבלימה.

איור 3 מציג טמפרטורה אמיתית thermograms נמדדים על דו תחמוצת אורניום עם רמות חמצון שונים (אז פרט להתמחות2 + x עם 0 &#60; x &#60; 0.21)2. תחמוצת אורניום הוא המרכיב הדלקים הנפוצים ביותר של רכיבי Npp הנוכחי. חמצון שלו על רמות שונות של היפר-סטויכיומטריה חמצן יכול להתרחש בכור נורמלי,-נורמלית התנאים12. עם השיטה הנוכחית, זה הוצג כי אז פרט להתמחות2 חמצון עלול לגרום ירידה דרמטית של נקודת התכה/התמצקות שלה על ידי עד 700 ק במקרה זה, ניסויים היה צריך להתבצע תחת לחץ גבוה למדי גז אינרטי (הוא ב- 10 MPa) במטרה לדכא את אידוי מאוד שאינם קונגרואנטי בטמפרטורות גבוהות.
<img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig3.jpg"> 
איור 3: Thermograms נמדדים על המחוממת לייזר stoichiometric hyperstoichiometric דו תחמוצת אורניום דגימות (לאחר 2). פרופיל לייזר כפולה דוגמה מוצגים בגרף. Thermograms נרשמים עבור מספר יצירות2 + x אז פרט להתמחות. מעצרים התמצקות להתרחש בטמפרטורות שונות באופן משמעותי, עם תכונות שונות, בהתאם להרכב הדוגמה, חושף את האבולוציה של הדינמיקות טמפרטורה ומיצוק הקפאה התכה במערכת U-O. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
איור 4 מראה pyrometer (קו ישר) ספקטרו-pyrometer thermograms הוקלט על לייזר מדגם דו-חמצני פלוטוניום מחומם תחת אווירה חמצון (אוויר דחוס ב- 0.3 מגפ ס). כמו כן, PuO2 הוא מרכיב חיוני דלק גרעיני. על אותה דמות, שני ספקטרה radiance נמדדת ספקטרו-pyrometer בטמפרטורות שונות מוצגים גם ההזחה, יחד עם עקומות התאמת ערכי T וחדוהλ המתאימים ונתונים ניסיוניים. בזכות המחקר הנוכחי, PuO2 התכה הקפאה בטמפרטורה היה מחדש כדי להיות ± 3,017 K K 28, גבוה יותר מעל 300 אלף בעבר הצביעו על ידי שיטות חימום מסורתי יותר. בשיטות אלה הניבו תוצאות בהחלט מושפע נרחב טמפרטורה גבוהה אינטראקציות בין מדגם לבין הבלימה, נושא זה נפתר ברובו עם הגישה מרחוק חימום הנוכחי.
<img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig4.jpg"> 
איור 4: Thermograms נמדדים על לייזר מדגם דו-חמצני פלוטוניום מחומם מעבר נקודת ההיתוך. גרף הראשי: קו שחור מוצק, החוגים שחור מלא מייצגים את thermograms הקליט על מדגם2 PuO תחת אווירה חמצון על ידי pyrometer מהר את אורך הגל מרובה ספקטרו-pyrometer, בהתאמה. העיגולים הלבנים מייצגים את הערכים emittance ספקטרלי מתקבל על ידי התאמת נתונים radiance ניסיוני עם החוק של פלאנק radiance12. ההזחה שני להראות דוגמה ספקטרה מוקלט (עיגולים שחורים), מצויד (קווים אדומים מוצק) נוזלי, מקפיא PuO2, בהתאמה, בתוך ההנחה גופו האפור. בחלקות האלה, הזוהר Lλ הוא מנורמל את הראשון קרינה קבוע c1 למען הפשטות. תמוגרפיה הראשי הושג באמצעות של emittance קבוע ממוצע של 0.83. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
איור 5 מציג סדרה של פולסים לייזר-חימום מתבצע על תערובת של אז פרט להתמחות2 ZrO2 תחת אווירה שונה. בדיקה זו הינה נציגה של תנאי זה עשויים להיווצר במקרה של טיול לכל טמפרטורה מקריים NPP. נקודת התכה/התמצקות מתרחשת בטמפרטורה ניתנת לשחזור באר משקאות רצופים אם הניסויים מתבצעים ארגון. מצד שני, טמפרטורת התכה/התמצקות ירידה מעל היריות לייזר אם מחזורי לייזר-חימום מבוצעות באוויר דחוס. זה מצביע על כך במקרה האחרון, המדגם מקבל מחומצן יותר ויותר במהלך הטיפולים לייזר-חימום. בנוסף, במקרה של מעורבות אז פרט להתמחות2- ZrO2 תחמוצות, גומה נקודת התכה מתרחש בתנאים hyper-סטויכיומטריה חמצן.
<img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig5.jpg"> 
איור 5: Thermograms נמדד מעורב אז פרט להתמחות2- ZrO2 דוגמאות ארגון מווסת ואוויר. נקודת התכה/התמצקות מתרחשת בטמפרטורה ניתנת לשחזור באר משקאות רצופים אם הניסויים מתבצעים ארגון (thermograms שחור). מצד שני, טמפרטורת התכה/התמצקות ירידה מעל היריות לייזר אם מחזורי לייזר-חימום מבוצעות באוויר דחוס (thermograms ירוק). <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
דוגמה נוספת נוגעת סוג אחר של חומר, אורניום dicarbide. זה הוא וליטוש חומר אפשרי עבור מושג חלופי של דלק גרעיני, שעשוי להיות עובד בטמפרטורות גבוהות יותר, לצמצם במידה ניכרת את הסיכון של תאונת המשבר. לקומפוזיציה חדשה המכילה עודף גדול של פחמן (נומינלית UC2.8) נחקר בפעם הראשונה עם הגישה הנוכחית14. במקרה זה, UC2- C התזת הטמפרטורה, הוקמה כדי להיות ב- K 27,37 ± 20 אלף, שימש כנקודת התייחסות הזוהר יחד עם המעבר של מצב מוצק הטטרגונלית-מעוקב (α→β), קבוע ב 2,050 K ± 20 ק' NSE של התרכובת פחמן-עשיר נמדדה להגדיל עד 0.7-650 nm, ואילו הערך חדוהλ = 0.53 הוקמה עבור אורניום טהור dicarbide על גבול האזור התזת. עלייה זו היה מנותח לנוכח demixing של עודפי פחמן, המשמש לקביעת הטמפרטורה liquidus (3,220 ± 50 K ב UC2.8). בשל דיפוזיה מהירה של מצב מוצק, גם טיפחו את המעבר הטטרגונלית-מעוקב, אין סימנים ברורים של מבנה התזת מחליפי יכול להיות שנצפו לאחר שכבתה לטמפרטורת החדר. ההרכב התזת C/UC משטח2-x יכול להיות איכותית, אבל באופן עקבי, אחריו במהלך תהליך הקירור בעזרת הספקטרום radiance מוקלטות, כפי שמוצג 6 דמויות ו- b.מעניין, הניתוח NSE הנוכחי הראה, ואילו בשלב נוזלי המשטח החיצוני הנוזלי היה היוו כמעט לחלוטין של אורניום dicarbide, זה יש במהירות מועשרים בפחמן demixed על הקפאה. Demixed פחמן נראה במהירות נודדים כלפי הנפח הפנימי קירור נוסף. על המעבר α→β, אורניום dicarbide שוב מכסה כמעט על כל המשטח החיצוני. כל הפרטים האלו על התנהגות גשמי טמפרטורה גבוהה מאוד חיוניים לניתוח של סוג זה של מתחם במקרה של בטמפרטורה לא מבוקרת בתוך ליבת הכור. הם היו להסיק רק על יסוד ניתוח ספקטרוסקופיה radiance, ואילו הם יהיה נגיש כמעט בכל חקירה נסיונית טכניקה אחרת.
<img alt="Figure 6" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig6.jpg"> 
איור 6: תמוגרפיה של radiance ספקטרום נמדד על מדגם2.8 UC ארגון מווסת14. a) השלב הקירור של תמוגרפיה הקליטה על מדגם2.8 UC. מעגלים מלא לזהות את נקודות זמן שבו ספקטרום radiance נרשמו על ידי ספקטרו-pyrometer. b) ארבע דוגמאות radiance ספקטרה הקליט בטמפרטורות שונות. אחד מהם הוקלט ב- UC נוזלי2.8, בעוד שלושת האחרים שיתאימו המעצרים תרמי גלוי איור 5a. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig6large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</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

אנו מציגים ניסויים אילו דלק גרעיני אמיתי, מול, חומרי בידוד לייזר מחוממת לטמפרטורות מעבר K 3000 בעוד ההתנהגות שלהם הוא נחקר על ידי הזוהר ספקטרוסקופיה ו אנליזה תרמית. ניסויים אלה לדמות, בקנה מידה מעבדה, היווצרות של לבה-שלב בעקבות התמוטטות ליבת כור גרעיני.

לייזר-חימום, ספקטרומטר Radiance לחקר חומרים גרעיניים בתנאים הדמיית תאונת הגרעין

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

Metabolomics לא ממוקדים ממקורות ביולוגיים באמצעות Ultraperformance כרומטוגרפיה נוזלית-רזולוציה גבוהה ספקטרומטריית מסה (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

פירוק דינמי גרעיני קיטוב Instrumentation מדידות קצב התגובה האנזימטית בזמן אמת על ידי התמ&quot;ג

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

רצף של הצמח קיר Heteroxylans שימוש enzymic, כימית (מתילציה) הפיזיקליים (ספקטרומטריית מסה, תהודה מגנטית גרעינית) טכניקות

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

חקירות על קומפלקס Ga (III) של EOB-DTPA ו שלה<sup&gt; 68</sup&gt; Ga radiolabeled Analogue

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

בחיי עיר זיהוי, כימות תא בודד של תחמוצת מתכת חלקיקים באמצעות ניתוח Microprobe גרעיני

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

סינתזה של טוהר גבוהה חומצה Dialkylphosphinic Nonsymmetric 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

סינתזה של נקבובי בריום חומצה טיטנית סרט דק וייצוב תרמי של שלב Ferroelectric על ידי זן נקבוביות-Induced

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

ההפרדה Sr אוטומטי 90ו- Preconcentration במערכת המעבדה-על-שסתום ברמה Ppq

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 מבוקר גרעיני טרנסלוקציה של האורחים בתאים חיים באמצעות דבקים מולקולרית בכלובים כמו Photoactivatable תגיות

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 הסרט הכנה באמצעות התצהיר2 אז פרט להתמחות על ידי זרם ישיר Sputtering וחמצון רצופים וצמצום עם אטומי חמצן ומימן אטומי

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 ...