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

Författarna är skuldsatta till Europeiska kommissionen för att finansiera forskningen under dess institutionella forskningsprogram. Dessutom en del av den presenterade Forskningen finansierades genom den EG 6th ramprogram under F-broprojektet och 7th FP under SÄKRAST och skonsam projekt.

<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>

Författarna har något att avslöja.

Laser-värme strålning spektroskopi tekniken presenteras här är erkänd som en innovativ och effektiv metod för utredning av mycket hög temperatur och smältande beteende eldfasta material15, 16. Tack vare sin remote och nästan behållare-mindre natur är det särskilt lämpad för experimentella studien av radioaktivt kärnmaterial och simulering av core härdsmälta olyckor i kärnkraftverk, som framgår av de exempel resultat som presenteras här.
Medan utvärderande experimentella data erhållits med nuvarande metod, bör man utan tvekan vara försiktig om rätta uppgiften av experimentella pekar på fasövergångar. I själva verket vid mycket höga temperaturer, materiellt kinetics kan vara extremt snabb och flera svårt att kontrollera fenomen kan uppstå, såsom icke-kongruenta förångning, segregation, sammansatta dissociation, etc. Som en jämförelse med mer traditionella uppvärmningsmetoder (som induktionsugnar) visar, motiverar den eventuella förekomsten av sådana fenomen användningen av en snabb uppvärmning och kylning teknik som den nuvarande. Däremot, kan tvivel uppstå om effektiv stabilisering av termodynamisk jämvikt villkor under de aktuella värme. Som förklaras i avsnittet förfarande, kan sådana förhållanden inte garanteras under snabb laser-uppvärmning av de termiska cyklerna. Termodynamisk jämvikt villkor produceras dock säkerligen på kylning scenen. Detta uttalande var verifieras med hjälp av datorprogram som simulerar de nuvarande experiment och baserat på nära-jämvikt massa och värme diffusion i närvaro av lokala fas övergångar11. Termodynamisk jämvikt villkor bör alltid cross-kontrolleras experimentellt, vanligtvis genom att mäta väl bedömda fas dock övergången temperaturer i föreningar som kan tas som referenser. Detta realiserades i den nuvarande arbetet med smältning/solidifiering pekar av W, Mo (rekommenderas som sekundär referenstemperaturer i den internationella temperaturskalan 199017,18,19), UO2, och den eutektiska ZrC-C9. Det krävs också att mäta sådana referenspunkter för att bedöma riktigheten och osäkerhet på den nuvarande metoden.
Tanke på den extrema förhållanden och fenomen som produceras i experiment som laser-värme, är en exakt osäkerhetsanalys avgörande för användbarheten av uppgifterna. För framgångsrik mätning kampanjer, bör kumulativa osäkerheten påverkar den aktuella fasen övergången temperaturdata uppgå till ±1% av den absoluta temperaturen, med täckningsfaktor 2-standardavvikelsen (95% konfidensintervall). Sådan Osäkerhetsintervallen kan vara större för komplicerade material, där, till exempel icke-kongruenta förångning kan ändra faktiska provets sammansättning på ett okontrollerbart sätt under experimenten. Sådan osäkerhet bör beakta fel på grund av kalibreringen, NSE bestämning, prov stabilitet (dvs. repeterbarhet, över successiva laser skott, experimentell fas övergången temperaturer), etc. Ett exempel på osäkerhetsanalys för smältning/frysning punkt av Può2 redovisas i tabell 1. De olika osäkerhe bidrag kan betraktas som oberoende och kombinerade enligt det fel förökning lag3.
<img alt="Table 1" src="/files/ftp_upload/54807/54807table1.jpg"> 
Tabell 1: Exempel på osäkerhetsanalys för smältning/frysning punkt av Può2 (referens13). Innebörd och värdet c2 rapporteras i avsnittet inledning med kommentarer på ekvation 1. Δελ står här för två standardavvikelser runt det genomsnittliga experimentella värdet erhålls för ελ genom att montera experimentella radiance spektra inom grå kropp antagandet. ΔTc och δTd representerar två standardavvikelser runt den genomsnittliga standardlampa extrapolerade temperaturkurva och genomsnittliga experimentella solidifiering temperaturvärdet, respektive.
Vissa förbättringar kan göras på den nuvarande experimentella metoden. I synnerhet gör ansluta tryckkärlet med en masspektrometer genom ett komplext rörsystem att upptäckt, åtminstone kvalitativt, av arten som finns i vapor plymen släpptes av heta material. Dessutom planeras genomförandet av en termo-kamera för tvådimensionella studiet av temperaturfördelningen över varma provet ytan för att upptäcka möjliga inhomogeneities och segregering effekter. Slutligen planeras förbättringar i säkerhetssystemet byggd runt den nuvarande utrustningen. Faktiskt, nuvarande Plexiglas handskfacket används här är lämpad för studier av-högradioaktivt material, såsom uran och transuraner, tack vare det faktum att den effektivt blockerar α-strålning. Denna sköld är dock inte tillräckligt säkra för utredning av stark γ utsläppsländerna, liksom de nuklider som finns i verkliga bestrålat kärnbränsle. En ny anläggning inklusive en bly-walled cell planeras för studiet av använt kärnbränsle från riktiga kärnkraftverk.

Även om kärnklyvning presenteras i stort sett som en lovande storskaliga, praktiskt taget outtömlig energikälla, har dess full allmän acceptans fortfarande stoppats av vissa säkerhet, säkerhet och skyddsåtgärder risker. Den experimentella metoden presenteras i detta arbete syftar till att svara på några grundläggande materialvetenskap frågor avseende något av dessa risker, förekomsten av allvarliga olyckor (SAs) leder till core härdsmälta i kärnkraftverket (NPP). Detta kan resultera i en möjligt release-högradioaktivt material i miljön, med allvarliga följder, både för människors hälsa och landets ekonomi. Större SAs av denna typ har inträffat tre gånger i kärnkraftverk, på Three Mile Island (USA, 1979), Tjernobyl (före detta Sovjetunionen, 1986), och Fukushima (Japan, 2011). Därför NPP SAs är i fokus för betydande forskning i några anläggningar över hela världen, som omfattar många utmanande fenomen och kompliceras av mycket höga temperaturer (ofta överstiger 3 000 K) och förekomsten av radioaktiva ämnen.
I det här scenariot kräver senaste direktiv av Europeiska rådet1 EU-länderna att ge högsta prioritet till kärnsäkerhet i alla skeden av kärnkraftverkets livscykel. Detta inkluderar utför säkerhetsbedömningar innan byggandet av nya kärnkraftverk och garantera betydande säkerhet förbättringar för gamla reaktorer.
I detta sammanhang en kontrollerad-atmosfär, laser-värme och snabb radiance spectro-IR anläggning2,3,4 har genomförts på Europeiska kommissionens gemensamma forskningscentrets Institutet för Transuraner för laboratoriet simulering, i liten skala, av NPP core härdsmälta. På grund av begränsad Urvalsstorleken (vanligtvis på cm - och 0,1-g-skalan) och hög verkningsgrad och art laser värme, detta tillvägagångssätt tillstånd snabbt och effektiv hög temperatur mätningar på verkliga kärnämnen, inklusive plutonium och mindre som innehåller aktinider fission bränsle prover. I detta avseende, och i sin förmåga att producera en stor mängd uppgifter om material under extrema förhållanden, är den nuvarande experimentell metoden erkänt världen över som unik. I själva verket har andra kompletterande utredningstekniker som bygger på induktion visat sig lida av snabb hög temperatur samspelet mellan den prov material och inneslutning5. Dessutom, om sådana tekniker tillåter och mestadels behöver större mängder material för analys, är de mindre lämpad än den nuvarande metoden för undersökning av verkliga kärnämnen, på grund av den höga radioaktiviteten och begränsad tillgänglighet av proverna.
I de nuvarande experiment (schematized i figur 1), värms ett prov, monterad i en kontrollerad-atmosfär autoklav som ingår i en α-skärmad handskfacket, av en 4.5-kW CW nd: YAG laser.
<img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig1.jpg"> 
Figur 1: Laser-värme och radiance spectro-IR experimental set-up. Provet är fast med grafit (eller volfram eller molybden) skruvar i gastäta kärl under kontrollerad atmosfär. Bilden rapporterade i det nedre vänstra hörnet visar, till exempel en Può2 disk fast med grafit skruvar. Om provet är radioaktiva, ska fartyget monteras inuti en alpha-tight handskfacket. Provet upphettas av en 4.5-kW nd: YAG laser på 1 064 nm. Snabbt två-kanals pyrometer används för inspelning provtemperaturen och reflekterade signalen från en lägre effekt Ar+ laser. En långsammare Multi-Channel spectro-pyromenter är anställd i situ analys av optiska egenskaper av varma provet. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig1large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
Strålning pyrometrar mäta den prov radiance Lex. Detta är elektromagnetisk strålning drivatätheten per enhet yta, våglängd och rymdvinkel som avges av provet vid en given temperatur6. Det är kopplat till provet yttemperaturen T genom en modifierad Planck-funktion:

<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/54807/54807equation1.jpg">
där Lλ är radiative kraften, ελ är den spektrala emissivitet, c1 = 2· h· c0 2 är den första strålning konstant, c2 = h· c0/kB = 14,388 µm· K är den andra strålningskonstant, c0 är ljushastigheten i vakuum, h är Plancks konstant och kB Boltzmanns konstant. Den spektrala emissivitet tar i beaktande det faktum att en verklig kropp kommer att utstråla, vid en viss våglängd och temperatur, endast en bråkdel motsvarar makt som avges av en perfekt svartkropp vid samma temperatur. Tar därför värden mellan 0 och 1, med 1 motsvarar perfekt svartkropp fallet för som Plancks lag härleddes. Eftersom pyrometrar i den nuvarande arbetet sattes alltid upp nära normal med avseende på prov ytan, vinkel beroendet av ελ ansågs inte och ”emissivitet” kommer alltid hänvisa till normala spektrala emissivitet (NSE). NSE måste bestämmas för att konvertera, genom ekvation 1 och en pyrometer kalibreringen, Lex i absoluta temperatur T.
Rutan för objekttemperatur upptäcks med hjälp av en snabb pyrometer kalibrerad mot golvlampor upp till 2500 K vid λ = 655 nm och. En ytterligare 256-kanal radiance spectro-pyrometer drift mellan 515 nm och 980 nm var anställd för att studera NSE (ελ) av provet. Bestämning av NSE är möjligt genom att fylla i en icke-linjär passform av termiska utsläpp spektrum med ekvation 12, 3, T och ελ är de endast två gratis parametrarna. Denna strategi har visat sig vara acceptabelt korrekt i eldfasta material7 som de brukar finnas i en NPP, som NSE kan antas vara våglängd-oberoende (grå kropp hypotes) på en bred spektralområde. När temperaturen i laser-uppvärmda provet mäts korrekt som funktion av tiden, kan termisk analys utföras på den resulterande temperatur-tid-kurvan (TERMOGRAM).Böjningar eller termisk gripanden i thermograms ger information om fasövergångar (solidus, liquidus och isotermiska fasomvandlingar). Dessutom förutom att vara nödvändigt för bestämning av NSE, tillåter direkt spektralanalys av strålglans Lex som avges av det varma provet också en i situ -studie av några optiska egenskaper hos studerade ytan. Detta utgör en annan stödjande verktyg för identifiering av hög temperatur fenomen, såsom fasövergångar, kemiska reaktioner mellan kondenserad material och gasfas eller segregation effekter. En ytterligare teknik som kallas återspeglas ljus signal (RLS) analys2, 3 används för att bekräfta fasövergångar. Det sker med hjälp av andra kanalen av den pyrometer inställd på en låg effekt (1 W) Ar+ laser (λ = 488 nm). Denna kanal upptäcker laserstrålen med ursprung från Ar+ kaviteten och reflekteras av provet ytan. En konstant RLS signal visar en fast yta, medan slumpmässiga svängningar visas efter smältning på grund av ytspänningen inducerade vibrationer på flytande prov ytan.
I allmänhet, vattenkylda reaktorer med fast bränsleelement, för närvarande den vanligaste typen av NPP, äger fyra på varandra följande hinder att säkerställa inneslutning av radioaktivitet8. Den första barriären är att kutsen själv, tack vare dess kristallstruktur och mikro-makroskopiska porositet, kan hålla de fasta fissionprodukterna och en del av de flyktiga. I allmänhet, placeras det hela bränsle elementet i en metallisk (Zircaloy eller stål) beklädnad som fungerar som skydd etapp. Vid avbrott av beklädnad är tredje barriären hela NPP inre fartyget, i allmänhet enbart av en stålvägg som är några cm tjock (primära system). Reaktorinneslutningen (m tjock betong) är slutligen den sista säkerhetskanten innan utsättning i miljön.
Vid avbrott av vatten kylsystem, kan en NPP SA ske, leder till överhettning och härdsmälta. Överhettning är initialt på grund av fission värme. Men i avsaknad av kyla, kan överhettning också fortsätta långt efter uppsägning av nukleära kedjereaktioner, på grund av den kvarvarande resteffekten av fissionprodukterna och andra-högradioaktivt arter som ingår i nukleära core skräp. I allmänhet ska core smälta starta från den centrala delen av bränsleelement, nedre-smältande föreningar (möjligen eutektika) bildas i gränssnittet mellan bränslet och kapslingen. Det första målet för forskningen består av att fastställa huruvida sådana lägre-smältande föreningar kan bildas i verkliga bränsleinkapslingen-system, och, i detta fall, vad den resulterande smältande temperatur depression skulle vara. För att besvara denna fråga, bör smältande beteendet av rena och blandade bränsle föreningar först sunt bedömas som utgör således ett ännu viktigare mål för den nuvarande strategin. Om bränslet och kapslingen smälter tillsammans, kommer den flytande massan snabbt faller till botten av primärkärlet och starta reagerar med stål väggen och med de kvarvarande vatten och ånga, om någon. I detta skede stål kan också smältas tillsammans med bränsle/beklädnad het blandning. Den resulterande lava-liknande vätskan kallas ”Coriumen”. Denna varma, högradioaktivt blandning kan diffusa utanför den primära inneslutningen om väggens stål smälts genom och till slut reagerar även med betong som utgör det de flesta externa hindren. Förhöjda värmen och den höga reaktiviteten av arten som finns i Coriumen kan leda till vatten dissociation och produktion av vätgas. Detta kan resultera i en ytterligare risk för steam och väte explosioner (jfr SAs i Three Mile Island och Fukushima), tunga oxidation eller (mindre troligt) hydrering av Coriumen massa och NPP strukturella material. Den nuvarande experimentell metoden tillåter separation och experimentell analys av flera av de många komplexa fysikalisk-kemiska mekanismer relaterade till det beskrivna händelseförloppet. Förutom nämnda ren komponenten smältande analys och bränsleinkapslingen interaktion, flera hög temperatur interaktion mekanismer kan undersökas i förenklade system, såsom mellan Pu-innehållande bränsle och stål, mellan bränsle och betong, etc. Coriumen bildandet kan potentiellt studeras i närvaro av olika atmosfärer (inert gas, luft, spår av väte eller ånga), producerar viktiga referensdata för en omfattande förståelse av SAs.
Den nuvarande metoden, särskilt lämpad för laboratoriet utredning av hög-smältande material, har också varit anställd för framgångsrik analys av andra, mer innovativa typer av kärnbränslen (utifrån, till exempel uran karbider eller nitrider) och Andra eldfasta föreningar, såsom zirkonium9, tantal och hafnium karbider, metalliska superlegeringar, kalciumoxid10, 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

Stora och allvarliga olyckor har inträffat tre gånger i kärnkraftverk (kärnkraftverk), på Three Mile Island (USA, 1979), Tjernobyl (före detta Sovjetunionen, 1986) och Fukushima (Japan, 2011). Forskning om orsaker, dynamik, och konsekvenserna av dessa missöden har utförts i några laboratorier över hela världen under de senaste tre decennierna. Gemensamma mål för sådan forskning är: förebyggande av dessa typer av olyckor, både i befintliga och potentiella nya kärnkraftverk; minimering av deras eventuella konsekvenser. och slutligen, en full förståelse av de verkliga riskerna i samband med kärnkraftverk. På den Europeiska kommissionens gemensamma forskningscentrets Institutet för transuraner används en laser-värme och snabb radiance spectro-IR anläggning för laboratoriet simulering, i liten skala, av NPP core härdsmälta, den vanligaste typen av svår olycka (SA) som kan uppstå i en kärnreaktor till följd av ett fel i kylsystemet. Denna simuleringsverktyg tillåter snabb och effektiv hög temperatur mätningar på verkliga nukleära material, såsom plutonium och mindre som innehåller aktinider fission bränsle prover. I detta avseende, och i sin förmåga att producera stora mängder data rörande material under extrema förhållanden, är den nuvarande experimentell metoden verkligen unik. För nuvarande och framtida begreppen NPP, exempel resultaten presenteras på smältande uppförandet av några olika typer av kärnbränslen: uran-plutonium oxider, karbider och nitrider. Resultaten på hög temperatur samspelet av oxid bränslen med inneslutning material visas också kort.

Figur 3 visar verkliga temperatur thermograms mätt på urandioxid med olika oxidation (UO2 + x med 0 &#60; x &#60; 0,21)2. Urandioxid är den avgörande komponenten i det vanligaste bränslet i nuvarande kärnkraftverk. Dess oxidation till olika hyper-stökiometri syrehalten kan uppstå i normal och off-normal reaktor villkor12. Med nuvarande metod visades det att UO2 oxidation kan resultera i en dramatisk minskning av dess smältning/stelningspunkten av upp till 700 K. I det här fallet hade experiment skall utföras under en ganska hög inert gas under tryck (han vid 10 MPa) för att undertrycka den mycket icke-kongruenta förångning vid höga temperaturer.
<img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig3.jpg"> 
Figur 3: Thermograms mätas på laser-uppvärmda stökiometriska och hyperstoichiometric urandioxid prover (efter 2). Ett exempel dubbel-pulse laser profil visas i grafen. Thermograms registreras för flera UO2 + x kompositioner. Solidifiering arresteringar uppstå vid betydligt-olika temperaturer och med olika funktioner, beroende på provets sammansättning, avslöjar utvecklingen av smältning/frysning temperatur och solidificationen dynamiken i U-O system. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig3large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
Figur 4 visar pyrometer (rak linje) och spectro-pyrometer thermograms inspelade på en plutonium koldioxid prov laser uppvärmd under en oxiderande atmosfär (tryckluft vid 0,3 MPa). Può2 är också en viktig kärnbränsle komponent. I samma bild visas också två radiance spectra mätt den spectro-pyrometer vid olika temperaturer i inläggningar, tillsammans med kurvor passande experimentella data och de motsvarande T och ελ -värdena. Tack vare den aktuella studien, var den Può2 smältning/frysning temperatur omprövas för att vara 3,017 K ± 28 K, över 300 K högre än tidigare påpekat mer traditionella uppvärmningsmetoder. Dessa metoder gett resultat som verkligen drabbats av omfattande hög temperatur interaktioner mellan prov och inneslutning, ett problem som har lösts till stor del med den nuvarande fjärr värme-metoden.
<img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig4.jpg"> 
Figur 4: Thermograms mätt på en plutonium koldioxid prov laser med värme som överstiger smältpunkten. Huvudsakliga graf: den svarta linjen och helsvart cirklar representerar de thermograms inspelad på ett Può2 prov under en oxiderande atmosfär av den snabba pyrometer och den flera våglängder spectro-pyrometer, respektive. De vita cirklarna representerar spektrala emittans värden som erhålls genom att montera experimentella radiance data med Plancks radiance lag12. De två inläggningar visar exempel spectra registreras (svarta cirklar) och monterad (röda heldragna linjer) i flytande och frysning Può2, respektive inom grå kropp antagandet. I dessa tomter, Strålglansen Lλ är normaliserat till första strålning konstant c1 för enkelhetens skull. Den huvudsakliga TERMOGRAM erhölls med hjälp av en genomsnittlig konstant emittans av 0,83. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig4large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
Figur 5 visar en rad laser-värme pulser utförs på en blandning av UO2 och ZrO2 under olika atmosfärer. Detta test är representativt av villkor som kan produceras i händelse av en oavsiktlig temperatur utflykt i en NPP. Den smälter/stelningspunkten uppstår vid en brunn-repeterbara temperatur över successiva skott om experimenten utförs i argon. Däremot, smältning/solidifiering temperaturen minskar under laser skotten om laser-värme cykler utförs i tryckluft. Detta visar att i det senare fallet provet blir alltmer oxideras under behandlingarna som laser-värme. Också, när det gäller blandade UO2- ZrO2 oxider, uppstår en smältpunkt depression i Syreförhållandena hyper-stökiometri.
<img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig5.jpg"> 
Figur 5: Thermograms mätt blandade UO2- ZrO2 prover i trycksatt argon och luft. Den smälter/stelningspunkten uppstår vid en brunn-repeterbara temperatur över successiva skott om experimenten utförs i argon (svart thermograms). Däremot, smältning/solidifiering temperaturen minskar under laser skotten om laser-värme cykler utförs i tryckluft (gröna thermograms). <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig5large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
Ytterligare ett exempel gäller en annan typ av material, uran dicarbide. Detta är tänkt som ett möjligt material för ett alternativt begrepp av kärnbränsle, potentiellt arbetar vid högre temperaturer och avsevärt minska risken för en härdsmälta olycka. En ny sammansättning som innehåller ett stort överskott av kol (nominellt UC2,8) undersöktes för första gången med nuvarande metod14. I detta fall användes UC2- C eutektiska temperaturen, etablerat på 27,37 K ± 20 K, som en radiance referens tillsammans med cubic-tetragonala (α→β) solid-state övergången, fast på 2.050 K ± 20 K. NSE av kol-rikare föreningen mättes för att öka upp till 0,7 vid 650 nm, medan värdet ελ = 0,53 inrättades för rena uran dicarbide på gränsen till regionen eutectic. Denna ökning var analyseras mot bakgrund av den demixing av överskott på kol och används för bestämning av liquidus temperatur (3 220 ± 50 K för UC2.8). På grund av snabb SSD diffusion, också främjas av cubic-tetragonala övergången, kunde inga uppenbara tecken på en lamellär eutectic struktur observeras efter kylning till rumstemperatur. Eutectic ytan C/UC2-x sammansättning kan kvalitativt, men konsekvent, följas under kylningsprocessen med hjälp av inspelade radiance spektra, som visas i figur 6 en och b.Intressant, visade den nuvarande NSE-analysen att, medan i den flytande fasen externa vätskeytan utgjordes nästan helt av uran dicarbide, den fick snabbt berikad i demixed kol vid frysning. Demixed kol tycktes snabbt migrera mot inre huvuddelen under ytterligare kylning. På α→β övergången täcker uran dicarbide nästan hela yttre yta. Alla dessa detaljer på mycket hög temperatur material beteende är viktigt för analysen av denna typ av förening vid okontrollerad temperaturhöjning i reaktorhärden. De var härledas endast på grundval av radiance spektroskopi analys, medan de skulle knappast tillgänglig för någon annan experimentell undersökning teknik.
<img alt="Figure 6" src="/files/ftp_upload/54807/54807fig6.jpg"> 
Figur 6: TERMOGRAM och radiance spectra mätt på en UC2,8 prov i trycksatt argon14. (a) kyla stadiet av en TERMOGRAM registreras på UC2,8 urval. Full cirklar identifiera tidpunkter där radiance spektra spelades in av den spectro-pyrometer. (b) fyra exempel på radiance spectra registreras vid olika temperaturer. En av dem spelades i flytande UC2,8, medan de andra tre motsvarar de termiska arresteringarna som syns i figur 5a. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54807/54807fig6large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</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 presenterar experiment i vilka verkliga kärnbränsle, beklädnad och inneslutning material är laser värms till temperaturer bortom 3000 K medan deras beteende studeras av radiance spektroskopi och termisk analys. Dessa experiment simulera, på en laboratorieskala, bildandet av en lava-fasen efter en kärnreaktor core härdsmälta.

Laser-värme och Radiance Spectrometry för studiet av kärnmaterial i villkor simulera en kärnkraftsolyckan

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

Oriktade Metabolomics från biologiska källor Använda Ultraperformance vätskekromatografi-högupplösande masspektrometri (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

Upplösning Dynamic Nuclear Polarisering Instrument för Realtids enzymatisk reaktion Rate Mätningar 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 växt Wall Heteroxylans Använda enzym, Chemical (metylering) och fysiska (masspektrometri, kärnmagnetisk resonans) Tekniker

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

Undersökningar på Ga (III) komplex av EOB-DTPA och dess<sup&gt; 68</sup&gt; Ga Radiomärkt 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 Upptäckt och enda Cell kvantifiering av metalloxid nanopartiklar med nukleära Microprobe analys

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

Syntesen av hög renhet Nonsymmetric Dialkylphosphinic syra extraktionsmedel

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 syntes av porösa Barium Titanate tunn Film och termisk stabilisering av ferroelektrisk fas av porositet-inducerad stam

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

Automatiserad 90Sr Separation och uppkoncentrering i ett labb-på-ventil System 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 kontrollerade translokationen i cellkärnan gäster i levande celler med bur molekylär lim som Photoactivatable Taggar

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 Tillredning via UO2 nedfall av likström sputtring och efterföljande Oxidation och reduktion med atom-syre och atom väte

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 ...