Новый метод может значительно сократить время и расходы, необходимые для некоторых важных проверок безопасности ядерных энергетических реакторов. Такой подход может сэкономить деньги и увеличить общую выработку электроэнергии в краткосрочной перспективе, а в долгосрочной перспективе может увеличить безопасный срок службы электростанций.

Многие аналитики утверждают, что одним из наиболее эффективных способов контроля выбросов парниковых газов является продление срока службы существующих атомных электростанций . Но продление срока службы этих станций за пределы их первоначально разрешенного срока службы требует мониторинга состояния многих их критических компонентов, чтобы гарантировать, что повреждение от тепла и радиации не привело и не приведет к небезопасному растрескиванию или охрупчиванию.

Сегодня испытания компонентов реактора из нержавеющей стали, из которых состоит большая часть водопроводных систем , препятствующих накоплению тепла, а также многих других деталей, требуют удаления испытательных образцов, известных как купоны, из той же стали, которые остаются рядом с фактические компоненты, чтобы они находились в одинаковых условиях. Или это требует удаления крошечной части фактического рабочего компонента. Оба подхода применяются во время дорогостоящих остановов реактора, что продлевает эти запланированные простои и стоит миллионы долларов в день.

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и других стран разработали новый, недорогой, автоматический тест, который может дать аналогичную информацию о состоянии этих компонентов реактора, затрачивая гораздо меньше времени на остановку. О результатах сообщается сегодня в журнале Acta Materiala в статье профессора ядерной науки и техники Массачусетского технологического института Майкла Шорта; Saleem Al Dajani ’19 SM ’20, который выполнил свою магистерскую работу в Массачусетском технологическом институте по этому проекту и в настоящее время является докторантом Университета науки и технологий имени короля Абдуллы (KAUST) в Саудовской Аравии; и 13 других в Массачусетском технологическом институте и других учреждениях.

Тест включает в себя наведение лазерных лучей на материал из нержавеющей стали, который генерирует поверхностные акустические волны (ПАВ) на поверхности. Затем другой набор лазерных лучей используется для обнаружения и измерения частот этих ПАВ. Испытания на материале, состаренном так же, как и на атомных электростанциях, показали, что волны дают характерную двухпиковую спектральную сигнатуру, когда материал разрушается.

Шорт и Аль Даджани приступили к этому процессу в 2018 году в поисках более быстрого способа обнаружения определенного вида деградации, называемого спинодальным разложением, которое может иметь место в аустенитной нержавеющей стали, которая используется для таких компонентов, как два-три трубы шириной в фут, по которым охлаждающая вода поступает в активную зону реактора и обратно. Этот процесс может привести к охрупчиванию, растрескиванию и возможному выходу из строя в случае аварийной ситуации.

По словам Шорта, хотя спинодальный распад — не единственный тип деградации, который может происходить в компонентах реактора, он является главной проблемой для срока службы и устойчивости ядерных реакторов.

«Мы искали сигнал, который мог бы связать охрупчивание материала со свойствами, которые мы можем измерить, которые можно использовать для оценки срока службы конструкционных материалов», — говорит Аль Даджани.

Они решили опробовать метод, который Шорт, его ученики и сотрудники расширили, называемый спектроскопией нестационарных решеток или TGS, на образцах реакторных материалов, которые, как известно, испытали спинодальный распад в результате их истории теплового старения, подобного реактору. В методе используются лазерные лучи для стимуляции, а затем измерения ПАВ на материале. Идея заключалась в том, что разложение должно замедлить скорость теплового потока через материал, и это замедление можно было бы обнаружить с помощью метода ТГС.

Однако оказывается, что такого замедления не было. «У нас была гипотеза о том, что мы увидим, и мы ошиблись», — говорит Шорт.

По его словам, в науке часто так и происходит. «Вы идете с оружием в руках, ищете определенную вещь по уважительной причине, и вы оказываетесь неправы. Но если вы внимательно посмотрите, вы найдете другие закономерности в данных, которые раскрывают то, что на самом деле говорит природа».

Вместо этого в данных обнаружилось, что, хотя материал обычно дает один частотный пик для ПАВ материала, в деградированных образцах наблюдалось расщепление на два пика.

«Это была очень четкая закономерность в данных», — вспоминает Шорт. «Мы просто не ожидали этого, но это прямо кричало нам в измерениях».

Литые аустенитные нержавеющие стали, подобные тем, которые используются в компонентах реакторов, представляют собой так называемые дуплексные стали, фактически представляющие собой смесь двух различных кристаллических структур в одном и том же материале. Но в то время как один из двух типов совершенно невосприимчив к спинодальному распаду, другой весьма уязвим для него. Когда материал начинает разлагаться, разница проявляется в различных частотных характеристиках материала, что команда обнаружила в своих данных.

Однако это открытие стало полной неожиданностью. «Некоторые из моих нынешних и бывших студентов не верили, что это происходит, — говорит Шорт. «Мы не смогли убедить нашу собственную команду, что это происходит, с исходной статистикой, которая у нас была». Итак, они вернулись и провели дальнейшие тесты, которые продолжали укреплять значимость результатов. Они достигли точки, когда уровень достоверности составлял 99,9%, что спинодальный распад действительно совпадал с разделением волновых пиков.

«Наши обсуждения с теми, кто выступал против наших первоначальных гипотез, в конечном итоге вывели нашу работу на новый уровень», — говорит Аль Даджани.

В испытаниях, которые они проводили, использовались большие лабораторные лазеры и оптические системы , поэтому следующим шагом, над которым усердно работают исследователи, является миниатюризация всей системы в нечто, что может быть легко переносимым испытательным комплектом для проверки компонентов реактора на -сайт, сокращая продолжительность простоев. «Мы делаем большие успехи, но нам еще есть куда двигаться», — говорит он.

Но когда они сделают следующий шаг, говорит он, это может иметь большое значение. «Каждый день, когда ваша атомная электростанция выходит из строя, для типичного реактора гигаваттного масштаба вы теряете около 2 миллионов долларов в день из-за потерь электроэнергии, — говорит Аль Даджани, — поэтому сокращение времени простоев сейчас имеет огромное значение в отрасли».

Он добавляет, что цель команды состояла в том, чтобы найти способы, позволяющие существующим заводам работать дольше: «Пусть они простоят меньше времени и будут такими же безопасными или более безопасными, чем они есть сейчас — не срезать углы, а использовать умную науку, чтобы дать нам ту же информацию с гораздо меньшими усилиями». И это то, что предлагает эта новая техника.

Небольшие надежды на то, что это поможет продлить лицензии на эксплуатацию электростанций еще на несколько десятилетий без ущерба для безопасности, обеспечив частые, простые и недорогие испытания ключевых компонентов. Существующие крупномасштабные электростанции «вырабатывают чуть менее миллиарда долларов безуглеродной электроэнергии на одну электростанцию ​​в год», говорит он, в то время как запуск новой электростанции может занять более десяти лет. «Чтобы преодолеть этот разрыв, сохранение наших нынешних ядерных зарядов в сети — это самое большое, что мы можем сделать для борьбы с изменением климата».