För att utvärdera ett materials förmåga att motstå högstrålningsmiljön i en kärnreaktor, forskare har traditionellt använt en metod som kallas "laga mat och titta, "vilket betyder att materialet utsätts för hög strålning och sedan avlägsnas för en fysisk undersökning. Men den processen är så långsam att den hämmar utvecklingen av nya material för framtida reaktorer.

Nu, forskare vid MIT och Sandia National Laboratories har utvecklat, testad, och gjorde ett nytt system tillgängligt som kontinuerligt kan övervaka strålningsinducerade förändringar, ger mer användbar data mycket snabbare än traditionella metoder.

Med många kärnkraftverk nära slutet av sin operativa livstid enligt nuvarande regler, att veta tillståndet hos material inuti dem kan vara avgörande för att förstå om deras funktion säkert kan förlängas, och i så fall hur mycket.

Det nya laserbaserade systemet kan användas för att observera förändringar av materialens fysiska egenskaper, såsom deras elasticitet och termiska diffusivitet, utan att förstöra eller ändra dem, säger forskarna. Resultaten beskrivs i tidskriften Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B i en uppsats av MIT -doktoranden Cody A. Dennett, professor i kärnteknik och teknik Michael P. Short, och teknologen Daniel L. Buller och forskaren Khalid Hattar från Sandia.

Det nya systemet, baserad på en teknik som kallas transient gitterspektroskopi, använder laserstrålar för att undersöka små förändringar på ett materials yta som kan avslöja detaljer om förändringar i materialets inre struktur. Två år sedan, Dennett och Short anpassade tillvägagångssättet för att övervaka strålningseffekter. Nu, efter omfattande tester, systemet är klart för användning av forskare som utforskar utvecklingen av nytt material för nästa generations reaktorer, eller de som vill förlänga livslängden för befintliga reaktorer genom en bättre förståelse för hur material bryts ned över tid under den hårda strålningsmiljön inuti reaktorkärl.

Det gamla sättet att testa material för deras svar på strålning var att exponera materialet under en viss tid, ta sedan ut den och "krossa den i bitar för att se vad som hände, "Förklarar Dennett. I stället "vi ville se om du kunde upptäcka vad som händer med materialet under processen, och anta hur mikrostrukturen förändras. "

Metoden för övergående gitterspektroskopi hade redan utvecklats av andra, men det hade inte använts för att leta efter effekterna av strålskador, såsom förändringar i materialets förmåga att leda värme och reagera på påfrestningar utan att spricka. Att anpassa tekniken till de unika och hårda strålningsmiljöerna krävde år av utveckling.

För att simulera effekterna av neutronbombardemang - den typ av strålning som orsakar det mesta av materialnedbrytningen i en reaktormiljö - använder forskare vanligen jonstrålar, som ger en liknande typ av skada men är mycket lättare att kontrollera och säkrare att arbeta med. Teamet använde en 6 megavolt jonacceleratoranläggning på Sandia som grund för det nya systemet. Den här typen av anläggningar påskyndar testningen eftersom de kan simulera år med operativ neutronexponering på bara några timmar.

Genom att använda systemets övervakningsförmåga i realtid, Dennett säger, det är möjligt att bestämma den tid då de fysiska förändringarna av materialet börjar accelerera, vilket tenderar att hända ganska plötsligt och gå snabbt. Genom att stoppa experimentet just då, det är då möjligt att i detalj studera vad som händer vid detta kritiska ögonblick. "Detta gör att vi kan inrikta oss på de mekanistiska orsakerna bakom dessa strukturella förändringar, " han säger.

Short säger att systemet kan utföra detaljerade studier av prestanda för ett visst material på några timmar, Det kan annars ta månader att komma igenom den första iterationen för att hitta punkten när nedbrytningen börjar. För en fullständig karakterisering, konventionella metoder "kan ta ett halvt år, kontra en dag "med det nya systemet, han säger.

I sina tester av systemet, laget använde två rena metaller - nickel och volfram - men anläggningen kan användas för att testa alla slags legeringar samt rena metaller, och kan också testa många andra typer av material, säger forskarna. "En av anledningarna till att vi är så glada här, "Dennett säger, är att när de har beskrivit denna metod vid vetenskapliga konferenser, "alla vi har pratat med säger" kan du prova det på mitt material? " Alla har en uppfattning om vad som kommer att hända om de kan testa sina egna saker, och sedan kan de gå mycket snabbare i sin forskning. "

De faktiska mätningarna som gjorts av systemet, som stimulerar vibrationer i materialet med hjälp av en laserstråle och sedan använder en andra laser för att observera dessa vibrationer vid ytan, direkt undersöka materialets elastiska styvhet och termiska egenskaper, Dennett förklarar. Men den mätningen kan sedan användas för att extrapolera andra relaterade egenskaper, inklusive defekt och skadeackumulering, han säger. "Det är vad de berättar om de bakomliggande mekanismerna" som är viktigast.

Den unika anläggningen, nu i drift på Sandia, är också föremål för pågående arbete av teamet för att ytterligare förbättra dess funktioner, Säger Dennett. "Det är mycket förbättrande, " han säger, tillägger att de hoppas kunna lägga till fler olika diagnostiska verktyg för att undersöka fler egenskaper hos material under bestrålning.

Arbetet är "en smart teknisk metod som gör det möjligt för forskare att karakterisera reaktionen från en mängd olika material på strålningsskador, "säger Laurence J. Jacobs, professor och docent för akademiska frågor vid Georgia Tech, som inte var inblandad i studien. Han säger att det är "en enastående forskning om en icke -kontakt, icke-destruktiv utvärderingsteknik som möjliggör realtid, övervakning in situ av de mekaniska egenskaperna hos ett material som utsätts för bestrålning av jonstrålar. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.