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 er gjeld til Europakommisjonen for finansiering nåværende forskning under sin institusjonelle forskningsprogrammer. I tillegg en del av presentert forskningen ble finansiert gjennom EF 6th rammeprogram under det F-prosjektet og 7th FP under SIKRESTE og MILDE prosjekter.

<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 ikke avsløre.

Laser-oppvarming stråling spektroskopi teknikken presenteres her er anerkjent som en innovativ og effektiv metode for etterforskningen av svært høy temperatur og smelte atferd ildfaste materialer15, 16. Takket være dens eksterne og nesten beholder-mindre natur er det spesielt egnet for eksperimentelle studier av radioaktivt kjernefysisk materiale og simulering av kjernen meltdown ulykker i NPPs, som vist av eksempel resultatene presenteres her.
Mens evaluering eksperimentelle data innhentet med metoden gjeldende, bør man uten tvil være forsiktig med riktig tildeling av eksperimentelle peker til fase overganger. Faktisk, ved svært høye temperaturer, materielle kinetics kan være ekstremt rask, og flere vanskelig-å-kontroll fenomener oppstår, som ikke-sammenfallende fordamping, segregering, sammensatte dissosiasjon, etc. Som sammenligningen med mer tradisjonelle oppvarming metoder (som induksjon ovner) viser, rettferdiggjør mulig forekomsten av slike fenomener bruken av en rask oppvarming og avkjøling teknikk som gjeldende. På den annen side, kan det oppstå tvil om effektiv stabilisering av termodynamisk forhold under dagens varme forhold. Som forklart i delen prosedyre, kan ikke slike forhold garanteres i rask laser-oppvarming del av termisk sykluser. Termodynamisk forhold produseres imidlertid sikkert på kjøling scenen. Denne uttalelsen ble validert ved hjelp av datakode simulere gjeldende eksperimenter og basert på nær likevekt masse og varme spredning i nærvær av lokale fase overganger11. Likevel termodynamisk likevekt forhold bør kryss-sjekkes eksperimentelt, vanligvis ved å måle godt vurdert fase overgang temperaturer i forbindelser som kan tas som referanser. Dette ble realisert i dette arbeidet med smelter/størkning poeng W, Mo (anbefales som sekundær referanse temperaturer i den internasjonale temperaturskala 199017,18,19), UO2, og ZrC-C eutektiske9. Måle slik referansepunkt er også nødvendig for å vurdere nøyaktigheten og usikkerhet av nåværende tilnærming.
Gitt den ekstreme forhold og fenomener produsert i laser-oppvarming eksperimenter, er en presis usikkerhet analyse avgjørende for brukbarheten av dataene produsert. For vellykket måling kampanjer, skal kumulative usikkerheten påvirker gjeldende fase overgang temperaturdata utgjøre ±1% av absolutt temperatur, med en 2-standardavvik dekning faktor (95% sikkerhet). Usikkerhet band kan være større for komplisert materialer, der, for eksempel ikke-sammenfallende fordamping kan endre faktisk prøve komposisjon i en ukontrollerbar måte under forsøkene. Slike usikkerhet ta hensyn feil på grunn av kalibreringsprosedyren, NSE bestemmelse, utvalg stabilitet (dvs. repeterbarhet, over påfølgende laser skudd, eksperimentelle fasen overgang temperaturer), etc. Et eksempel på usikkerhet analyse for smelting/fryser punkt av PuO2 rapporteres i tabell 1. Ulike usikkerhet bidrag kan betraktes som uavhengig og kombinert etter feil forplantning lov3.
<img alt="Table 1" src="/files/ftp_upload/54807/54807table1.jpg"> 
Tabell 1: Eksempel på usikkerhet analyse for smelting/fryser punkt av PuO2 (referanse13). Betydningen og verdien c2 rapporteres i delen introduksjon med kommentarer på Formel 1. Δελ står her for to standardavvik rundt eksperimentelle gjennomsnittsverdien oppnådd for ελ av passende eksperimentelle utstråling spectra i grå kroppen forutsetning. ΔTc og δTd representerer to standardavvik rundt gjennomsnittlig lampe ekstrapolert temperatur kurven og gjennomsnittlig eksperimentelle herding temperatur verdi, henholdsvis.
Noen forbedringer kan gjøres på dagens eksperimentelle tilnærming. Spesielt tillater koble press fartøyet med en masse spectrometer gjennom et kompleks rørsystem deteksjon, minst kvalitativt, av arter i damp skyen utgitt av varme materialet. Videre er gjennomføringen av en thermo-kamera forutsett for todimensjonal studier av temperatur distribusjon over hot prøven overflaten for å oppdage mulige inhomogeneities og segregering effekter. Til slutt, forbedringer i sikkerhetssystemet bygget rundt den nåværende utstyret er forutsett. Faktisk, i gjeldende plexiglass hanskerommet her er egnet for studier av svært radioaktive materialer som uran og transurane elementer, takket være det faktum at det effektivt blokkerer α stråling. Dette skjoldet er imidlertid ikke tilstrekkelig sikker for etterforskningen av sterk γ emittere, som nuclides i ekte bestrålt kjernebrensel. Et nytt anlegg inkludert en føre vegger celle er forutsett for studier av brukt atombrensel kommer fra ekte NPPs.

Selv om kjernefysisk fisjon bredt presenteres som en lovende store, nesten uuttømmelig energi, er fortsatt det full offentlig aksept stoppet av noen sikkerhet, sikkerhet og beskytte risiko. Den eksperimentelle tilnærmingen presentert i dette arbeidet tar sikte på noen grunnleggende materialkunnskap spørsmål knyttet til en av disse risikoene, forekomsten av alvorlige ulykker (SAs) fører til kjernen meltdown i et kjernekraftverk (NPP). Dette kan resultere i en utgivelse svært radioaktivt materiale i miljø, med alvorlige konsekvenser, både for menneskers helse og landets økonomi. Major SAs av denne typen har skjedd tre ganger i NPPs, på Three Mile Island (USA, 1979), Chernobyl (tidligere Sovjetunionen, 1986) og Fukushima (Japan, 2011). Derfor NPP SAs er fokus for betydelig forskning i noen anlegg over hele verden, omfatter mange utfordrende fenomener og komplisert ved svært høye temperaturer (ofte overstiger 3000 K) og tilstedeværelsen av radioaktivt materiale.
Dette scenariet krever et nyere direktiv av Europarådet1 EU-land til å gi den høyeste prioriteten til atomsikkerhet i alle stadier av livssyklusen til et kjernekraftverk. Dette inkluderer gjennomføre sikkerhetsvurderinger før byggingen av nye atomkraftverk og sørge for betydelig sikkerhet forbedringer for gamle reaktorer.
I denne sammenheng en kontrollert-atmosfære, laser-oppvarming og rask utstråling spectro-pyrometry anlegget2,3,4 er implementert på Europakommisjonens felles forskningssenter Institutt for Transurane elementer for laboratoriet simulering, på en liten skala, av NPP kjernen meltdown. Begrenset utvalgsstørrelsen (vanligvis på en cm og 0,1-g-skala) og høy effektivitet og ekstern natur laser oppvarming, denne tilnærming tillater rask og effektiv høy temperatur målinger på ekte kjernefysisk materiale, inkludert plutonium og mindre antatt sølvhvit inneholder fisjon drivstoff prøver. I denne forbindelse, og i dens evne til å produsere en stor mengde data om materialer under ekstreme forhold, er det aktuelle eksperimentelle metoden anerkjent over hele verden som unik. Andre komplementære undersøkelse teknikker basert på induksjonsoppvarming har faktisk vist lider rask høy temperatur samspillet mellom sample materiale og oppdemning5. Dessuten, hvis slike teknikker tillater og hovedsakelig må større mengder materiale for analyse, er de mindre egnet enn nåværende metode for etterforskningen av ekte kjernefysisk materiale, høy radioaktivitet og begrenset tilgjengelighet av prøvene.
De gjeldende eksperimenter (schematized i figur 1), er en prøve, montert i en kontrollert-atmosfære autoklav i en α skjermede hanskerom, oppvarmet med en 4.5-kW Nd:YAG CW laser.
<img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig1.jpg"> 
Figur 1: Laser-oppvarming og utstråling spectro-pyrometry eksperimentelle set-up. Prøven er fast med grafitt (eller tungsten eller molybden) skruene i en gass-tette fartøy under en kontrollert atmosfære. Bildet i hjørnet nederst til venstre viser, som et eksempel, en PuO2 disk fast med grafitt skruer. Hvis prøven er radioaktive, skal fartøyet monteres inne en alpha-tett hanskerommet. Prøven er oppvarmet med en 4.5-kW Nd:YAG laser på 1,064 nm. En rask to-kanals pyrometer brukes for eksempel temperaturen og reflektert signalet fra en lavere strømforbruk Ar+ laser. En tregere flerkanals spectro-pyromenter er ansatt i situ analyse av optiske egenskaper av hot prøven. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig1large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
Stråling pyrometers måle den prøven utstråling Lex. Dette er elektromagnetisk stråling tetthet per enhet overflaten, bølgelengde og solid vinkel fra prøven på en gitt temperatur6. Det er knyttet til eksempel overflate temperatur T gjennom en modifisert Planck-funksjon:

<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/54807/54807equation1.jpg">
hvor Lλ er strålingspådrivet makt, ελ er den spectral energisparing, c1 = 2· h· c0 2 er det første stråling konstant, c2 = h· c0/kB = 14,388 µm· K er andre stråling konstant, c0 er hastigheten til lys i vakuum, h er Planck's konstant og kB ladninger. Spectral energisparende tar hensyn til det faktum at en ekte kropp vil avgi, på et bestemt bølgelengde og temperatur, bare en brøkdel lik makt slippes ut av en ideell blackbody ved samme temperatur. Derfor tar verdier mellom 0 og 1, 1 tilsvarer ideelle blackbody tilfelle for hvilke Planck loven var avledet. Siden pyrometers i dette arbeidet var alltid sette opp nær normal med hensyn til utvalg overflaten vinkel avhengigheten av ελ var ikke vurdert og "energisparende" vil alltid se normal spectral energisparende (NSE). NSE må bestemmes for å konvertere, gjennom Formel 1 og en pyrometer kalibreringsprosedyren, Lex i minimumstemperaturen T.
Temperaturen på prøven oppdages ved hjelp av en rask pyrometer kalibrert mot standard lamper til 2500 K på λ = 655 nm og. En ekstra 256-kanals utstråling spectro-pyrometer fungerer mellom 515 nm og 980 nm var ansatt for studier av NSE (ελ) av utvalget. Fastsettelse av NSE er mulig ved å fylle ut en ikke-lineær tilpasning av termisk utslipp spektrum Formel 12, 3 T og ελ blir bare to gratis parameterne. Denne tilnærmingen har vist seg for å være akseptabelt nøyaktig i ildfaste materialer7 som vanligvis finnes i en NPP, som NSE kan antas for å være bølgelengde-uavhengig (grå kroppen hypotese) på en rekke spectral. Når temperaturen på prøven laser-oppvarmet måles riktig som en funksjon av tid, kan termisk analyse utføres på resulterende temperatur-tid kurven (thermogram).Inflections eller termisk arrestasjoner i thermograms gi informasjon relatert til fase overganger (solidus, liquidus og isotermiske fase transformasjoner). Videre, foruten å være nødvendig for NSE besluttsomhet, tillater direkte spektral analyse av den utstråling Lex fra hot prøven også en i situ studie av noen optiske egenskaper av studerte overflaten. Dette utgjør en annen støtte verktøyet for identifikasjon av høy temperatur fenomener, som fase overganger, kjemiske reaksjoner mellom kondensert materialer og gassfase, eller segregering effekter. En ekstra teknikk kalt reflektert lyssignal (RLS) analyse2, 3 brukes til å bekrefte fase overganger. Det er utført ved hjelp av den andre kanalen pyrometer innstilt til en lav-effekt (1 M) Ar+ laser (λ = 488 nm). Denne kanalen oppdager laserstrålen fra Ar+ hulrom og reflektert av prøven overflaten. En konstant RLS signal indikerer en solid overflate, mens tilfeldige svingninger vises etter smelter på grunn av overflatespenningen-indusert vibrasjoner på flytende eksempel overflaten.
Generelt, vannkjølt reaktorer med fast brensel elementer, den vanligste typen NPP, har fire påfølgende barrierer for å sikre kontroll av radioaktivitet8. Det første hinderet er at drivstoff pellets, takket være krystallstrukturen og mikro-makroskopisk porøsitet, kan holde solid fisjon produktene og en del av de flyktige. Generelt plasseres hele drivstoff elementet i en metallisk (Zircaloy eller stål) kledning som fungerer som den andre fasen beskyttelse. Ved feil av kledningen er tredje barrieren hele NPP indre fartøyet, generelt begrenset av en stål vegg som er noen cm tykk (primære system). Endelig er kontroll bygge (m tykke betong) siste sikkerhetsbarriere før utslipp i miljøet.
Ved feil av vannet kjølesystem, kan en NPP SA skje, fører til overoppheting og meltdown. Overoppheting er utgangspunktet fisjon varme. Men i fravær av kjøling, kan overoppheting også fortsette lenge etter avslutningen av kjernefysiske kjedereaksjoner, på grunn av gjenværende forfall varme fisjon og andre svært radioaktive arter i kjernefysiske kjernen rusk. Generelt, starter kjernen smelte fra den sentrale delen av drivstoff elementet, med mindre lavere-smeltende forbindelser (muligens eutectics) er dannet i grensesnittet mellom drivstoff og kledning. Det første målet for dagens forskning består av etablere om slike lavere-smeltende forbindelser kan dannes i ekte drivstoff-kledning systemer, og i dette tilfellet hva det resulterende smelter temperatur depresjon skulle. For å besvare dette spørsmålet, bør smeltende virkemåten til ren og blandet forbindelser først tungt vurderes, som derfor utgjør en viktig mål av nåværende tilnærming. Hvis drivstoff og kledning smelter sammen, den flytende massen raskt faller til bunnen av primære fartøyet og starte reagerer med stål veggen og gjenværende vann og damp, hvis noen. På dette stadiet, stål kan også være smeltet sammen med drivstoff/kledningen hot blanding. Den resulterende væsken lava som kalles "corium". Denne varme, svært radioaktive blandingen kan diffus utenfor primære kontroll hvis stål veggen er smeltet gjennom og ende opp reagerer selv med betong utgjør de fleste eksterne barrieren. Forhøyet varmen og den høye reaktivitet av artene i corium kan føre til vann dissosiasjon og produksjon av hydrogen. Dette kan resultere i en ytterligere risiko for steam og hydrogen eksplosjoner (jf SAs på Three Mile Island og Fukushima), tunge oksidasjon, eller (mindre sannsynlig) hydrering av corium masse og NPP strukturelle materialer. Aktuelle eksperimentelle metoden tillater separasjon og eksperimentelle analyse av mange komplekse mekanisk-mekanismer knyttet til beskrevet hendelsesforløpet. Foruten nevnte ren komponenten smelter analyse og drivstoff-kledning interaksjon, flere høy temperatur interaksjon mekanismer kan undersøkes i forenklet systemer, slik som mellom Pu inneholder drivstoff og stål, mellom drivstoff og betong, etc. Corium formasjon kan potensielt bli studert i nærvær av ulike atmosfærer (inert gass, luft, spor av hydrogen eller damp), produsere viktig referansedata for en omfattende forståelse av SAs.
Den nåværende tilnærmingen, spesielt egnet for laboratoriet undersøkelse av høy-smeltende materialer, har også vært ansatt for vellykket analyse av andre, mer innovative kjernefysisk brensel (basert, for eksempel på uran karbider eller nitrider) og andre ildfaste forbindelser, som zirkonium9, tantal og hafnium karbider, metallisk superalloys, kalsiumoksid10, etc.

<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 har skjedd tre ganger i atomkraftverk (NPPs), på Three Mile Island (USA, 1979), Tsjernobyl (tidligere Sovjetunionen, 1986) og Fukushima (Japan, 2011). Forskning på årsaker, dynamikk og konsekvensene av disse mishaps er utført i noen laboratorier over hele verden i de siste tre tiårene. Felles mål for slike forskningsaktiviteter er: forebygging av disse typer ulykker, både eksisterende og potensielle nye atomkraftverk; minimering av sine eventuelle konsekvenser; og til slutt, en full forståelse av den reelle risikoen forbundet med NPPs. På den europeiske kommisjonen felles Forskningssenters Institute for transurane elementer brukes en laser-oppvarming og rask utstråling spectro-pyrometry anlegg for laboratoriet simulering, på en liten skala, av NPP kjernen meltdown, den vanligste typen alvorlig ulykken (SA) som kan oppstå i en kjernefysisk reaktor av en svikt i kjølesystemet. Denne simuleringsverktøy tillater rask og effektiv høy temperatur målinger på ekte kjernefysisk materiale, for eksempel plutonium og mindre antatt sølvhvit inneholder fisjon drivstoff eksempler. I denne forbindelse, og i dens evne til å produsere store mengder data om materialer under ekstreme forhold, er dagens eksperimentelle tilnærming så absolutt unikt. For nåværende og fremtidige konsepter av NPP, eksempel resultatene presenteres på smeltende oppførselen til noen ulike typer av kjernefysisk brensel: uran-plutonium oksider, karbider og nitrider. Resultatene på høy temperatur samspillet av oksid brensel med containment materialer også kort vises.

Figur 3 viser ekte temperatur thermograms målt på uran karbondioksid med ulike oksidasjon nivåer (UO2 + x med 0 &#60; x &#60; 0,21)2. Uran karbondioksid er viktig del av vanligste drivstoff i gjeldende NPPs. Dens oksidasjon til ulike oksygennivået hyper-støkiometri kan oppstå i normal og av normalt reaktoren forhold12. Med metoden gjeldende viste at UO2 oksidasjon kan resultere i en dramatisk reduksjon av sine smelter/størkning poeng opptil 700 K. I dette tilfellet måtte eksperimenter utføres under en ganske høy inert gasstrykk (han på 10 MPa) for å undertrykke den svært ikke-sammenfallende fordamping ved høye temperaturer.
<img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig3.jpg"> 
Figur 3: Thermograms målt på laser-oppvarmet stoichiometric og hyperstoichiometric uran karbondioksid prøver (etter 2). En eksempel dobbel-puls laser profil vises i diagrammet. Thermograms registreres for flere UO2 + x komposisjoner. Herding arrestasjoner oppstå ved betydelig forskjellige temperaturer og med ulike funksjoner, avhengig av prøven sammensetningen, avslørende utviklingen av smelting/fryser temperatur og størkning dynamikken i U-O systemet. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig3large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
Figur 4 viser pyrometer (rett linje) og spectro-pyrometer thermograms spilt inn på en plutonium karbondioksid prøve laser oppvarmet under en oksiderende atmosfære (trykkluft på 0,3 MPa). PuO2 er også en viktig kjernebrensel komponent. I den samme figuren vises også to utstråling spectra målt ved spectro-pyrometer ved forskjellige temperaturer i senkninger, sammen med kurvene passer eksperimentelle data og tilsvarende T og ελ . Takk til studien, var de PuO2 smelter/fryser temperatur revurdert skal 3,017 K ± 28 K, over 300 K høyere enn tidligere indikert av mer tradisjonelle oppvarming metoder. Disse metodene gitt resultater sikkert påvirket av omfattende høy temperatur samspillet mellom utvalg og oppdemning, et problem som i stor grad er løst med nåværende ferdigvarme tilnærming.
<img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig4.jpg"> 
Figur 4: Thermograms målt på en plutonium karbondioksid prøve laser oppvarmet utover Smeltepunkt. Hovedgågaten grafen: svart heltrukket linje og full svart sirkler representerer thermograms spilt inn på en PuO2 prøve under en oksiderende atmosfære av den raske pyrometer og flere bølgelengde spectro-pyrometer, henholdsvis. De hvite sirklene representerer spectral emittance verdiene ved montering eksperimentelle utstråling data med Planck utstråling lov12. To senkninger Vis eksempel spectra registrert (svart sirkler) og utstyrt (rød heltrukket linje) i flytende og fryse PuO2, henholdsvis i grå kroppen forutsetning. Disse tomter, er utstråling Lλ normalisert til første stråling konstant c1 for enkelhets skyld. Den viktigste thermogram ble oppnådd med en gjennomsnittlig konstant emittance av 0,83. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig4large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
Figur 5 viser en rekke laser-oppvarming pulser på en blanding av UO2 og ZrO2 under ulike atmosfærer. Denne testen er representant for forhold som kan produseres i tilfelle en utilsiktet temperatur utflukt i en NPP. Smeltepunkt/størkning punktet oppstår på en vel-repeterbare temperatur over etterfølgende bilder hvis eksperimenter er gjennomført i argon. På den annen side, smelter/størkning temperaturen avta over laser skudd hvis laser-oppvarming sykluser utføres i trykkluft. Dette viser at i det siste tilfellet prøven blir stadig oksidert under laser-oppvarming behandlingen. Også i blandet UO2- ZrO2 karbonoksider, forekommer en Smeltepunkt depresjon i oksygen hyper-støkiometri forhold.
<img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig5.jpg"> 
Figur 5: Thermograms målt blandet UO2- ZrO2 prøver i trykksatt argon og luft. Smeltepunkt/størkning punktet oppstår på en vel-repeterbare temperatur over etterfølgende bilder hvis eksperimenter er gjennomført i argon (svart thermograms). På den annen side, smelter/størkning temperaturen avta over laser skudd hvis laser-oppvarming sykluser utføres i komprimert luft (grønn thermograms). <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig5large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
Et annet eksempel gjelder en annen type materiale, uran dicarbide. Dette er planlagt som mulig materiale for en alternativ begrepet kjernebrensel, potensielt arbeider ved høyere temperaturer og betydelig redusere risikoen for en meltdown ulykke. Ny sammensetning som inneholder et stort overskudd av karbon (nominelt UC2.8) ble undersøkt for første gang med den nåværende tilnærming14. I dette tilfellet ble UC2- C eutektiske temperatur, etablert på 27,37 K ± 20 K, brukt som en utstråling referanse sammen med kubikk-tetragonal (α→β) SSD overgangen, fast på 2,050 K ± 20 K. NSE av karbon-rikere sammensatte ble målt for å øke opp til 0,7 på 650 nm, mens verdien ελ = 0.53 ble opprettet for ren uran dicarbide på grensen av regionen eutektiske. Denne økningen ble analysert i lys av demixing av overskytende karbon og brukes for fastsettelse av liquidus temperatur (3,220 ± 50 K for UC2.8). På grunn av rask SSD diffusjon, også fostret av kubikk-tetragonal overgangen, kan ingen åpenbare tegn på en lamellær eutektiske struktur være observert etter slukke til romtemperatur. Eutektiske overflate C/UC2-x sammensetningen kan kvalitativt, men konsekvent, følges under kjøling med hjelp av innspilte utstråling spectra, som vist i tall 6 en og b.Interessant, viste gjeldende NSE analysen at mens i flytende fase eksterne flytende overflaten var nesten helt utgjorde av uran dicarbide, ble det raskt beriket i demixed karbon på frysing. Demixed karbon syntes å raskt overføre mot indre bulk under videre nedkjøling. På α→β overgangen dekker uran dicarbide igjen nesten hele ekstern overflaten. Alle disse detaljene i svært høy temperatur materiale atferden er avgjørende for analyse av denne typen sammensatt ved ukontrollert temperaturøkningen i reaktorkjernen. De ble utledet kun basert på radiance spektroskopi analyse, mens de var neppe tilgjengelig for noen andre eksperimentell undersøkelse teknikk.
<img alt="Figure 6" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig6.jpg"> 
Figur 6: Thermogram og utstråling spectra målt på en UC2.8 utvalg i trykksatt argon14. a) kjøling scenen av en thermogram registrert på et UC2.8 utvalg. Full sirkler identifisere tidspunkt som til utstråling spectra ble registrert av spectro-pyrometer. b) fire eksempler på radiance spectra registrert ved forskjellige temperaturer. En av dem ble innspilt i flytende UC2.8, mens de andre tre tilsvarer termisk arrestasjonene i figur 5a. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig6large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</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 presenterer eksperimenter som virkelig kjernefysisk drivstoff, kledning containment materialer er laser oppvarmet til temperaturen utover 3000 K mens deres atferd er studert ved utstråling spektroskopi og termisk analyse. Disse eksperimentene simulere, i laboratoriet skala, dannelsen av en lava-fase etter en kjernefysisk reaktor kjernen meltdown.

Laser-oppvarming og utstråling massespektrometri for studier av kjernefysisk materiale i forhold simulere en kjernekraftverk 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

Vilkårlige Metabolomics fra biologiske kilder Bruke UltraPerformance væskekromatografi-High Resolution massespektrometri (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

Oppløsning Dynamic Nuclear Polarisering Instrumentering for Real-time enzymatiske reaksjonen rate målinger av 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

Sekvensering av Plant Wall Heteroxylans Bruke enzymic, Chemical (Metylering) 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

Undersøkelser på Ga (III) Kompleks av EOB-DTPA og dens<sup&gt; 68</sup&gt; Ga Radiomerket 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 Gjenkjennings- og enkeltcelle kvantifisering av metalloksid nanopartikler kjernefysiske 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 av høy renhetsgrad 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

Syntese av porøse Barium Titanate tynn Film og termisk stabilisering av Ferroelectric fase av porøsitet-indusert 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

Automatisert 90Sr separasjon og Preconcentration i en Lab-på-ventilen systemet på Ppq nivå

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 kontrollert kjernefysiske translokasjon av gjester i levende celler med bur molekylær 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 deponering av likestrøm Sputtering og påfølgende oksidering og reduksjon med atomisk oksygen og Atom Hydrogen

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 ...