评估反应堆辐射损伤的新方法

一种新的方法可以大大减少核电反应堆中某些重要安全检查所需的时间和费用。这种方法可以在短期内节省资金并增加总的电力输出，而且从长远来看，它可能会增加工厂的安全运行寿命。

许多分析家认为，控制温室气体排放的最有效方法之一是延长现有核电站的寿命。但是，将这些电厂延长到其最初允许的运行寿命之外，需要监测其许多关键部件的状况，以确保热和辐射没有造成损害，也不会造成不安全的裂纹或脆化。

今天，对反应堆的不锈钢部件--这些部件构成了防止热量堆积的大部分管道系统，以及许多其他部件-的测试需要移除同种钢的测试件，称为试样，这些试样被放置在实际部件的旁边，以便它们经历相同的条件。或者，它需要移除实际运行部件的一小块。这两种方法都是在反应堆昂贵的停运期间进行的，延长了这些预定的停运时间，每天要花费数百万美元。

现在，麻省理工学院和其他地方的研究人员已经想出了一种新的、廉价的、不需要动手的测试，可以产生关于这些反应堆部件状况的类似信息，而在停运期间所需的时间要少得多。今天，麻省理工学院核科学与工程教授Michael Short、Saleem Al Dajani '19 SM '20(他在麻省理工学院完成了这个项目的硕士工作，现在是沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的博士生)以及麻省理工学院和其他机构的其他13人在《Acta Materiala》杂志上报告了这些发现。

该测试包括将激光束瞄准不锈钢材料，在其表面产生表面声波(SAWs)。然后，另一组激光束被用来检测和测量这些SAWs的频率。对与核电站相同老化的材料进行的测试表明，当材料退化时，这些波产生了独特的双峰光谱特征。

Short和Al Dajani在2018年开始了这一过程，寻找一种更快速的方法来检测一种特定的退化，称为尖晶石分解，这种退化可能发生在奥氏体不锈钢中，奥氏体不锈钢被用于诸如将冷却剂水输送到反应堆核心的2至3英尺宽的管道等部件。这一过程可能导致脆化、开裂，并在紧急情况下可能出现故障。

Short说，虽然尖晶石分解并不是反应堆部件中可能发生的唯一类型的降解，但它是核反应堆的寿命和可持续性的主要关注点。

Al Dajani说："我们正在寻找一种信号，可以将材料脆化与我们可以测量的属性联系起来，可以用来估计结构材料的寿命。”

他们决定尝试Short和他的学生及合作者已经扩展的技术，称为瞬态光栅光谱，或TGS，在已知的反应堆材料样品上，由于其类似反应堆的热老化历史，经历了旋光分解。该方法使用激光束来刺激，然后测量材料上的SAWs。我们的想法是，分解应该减慢通过材料的热流速度，这种减慢可以通过TGS方法检测出来。

然而，事实证明并没有这种减速。Short说："我们带着对我们会看到什么的假设进去，但我们错了。

相反，数据中显示的是，虽然一种材料通常会产生一个材料的SAWs的单一频率峰值，但在退化的样品中，有一个分裂成两个峰值的现象。

肖特回忆说："这是数据中一个非常清晰的模式，我们只是没有想到，但它就在那里，在测量中向我们喊话。"

像那些用于反应堆部件的铸造奥氏体不锈钢是所谓的双相钢，实际上是两种不同晶体结构在同一材料中的混合设计。但是，虽然这两种类型中的一种相当不受尖晶石分解的影响，另一种却相当容易受到影响。当材料开始降解时，这种差异会在材料的不同频率响应中显示出来，这就是该团队在他们的数据中发现的。

不过，这一发现完全是一个惊喜。肖特说："我的一些现任和前任学生都不相信它的发生。我们无法说服我们自己的团队，以我们所掌握的最初的统计数据，这是在发生。"因此，他们回去后进行了进一步的测试，这继续加强了结果的重要性。他们达到了一个置信度为99.9%的程度，即旋光分解确实与波峰分离相吻合。”

Al Dajani说："我们与那些反对我们最初假设的人的讨论，最终将我们的工作推向了新的高度。”

他们所做的测试使用了基于实验室的大型激光器和光学系统，因此下一步，研究人员正在努力工作，就是将整个系统小型化，使其成为一个容易携带的测试工具，用于现场检查反应堆部件，减少停工的时间。他说："我们正在取得巨大的进步，但我们仍有一些路要走。”

但当他们实现下一步时，他说，这可能会带来巨大的变化。Al Dajani说："对于一个典型的千兆瓦级反应堆来说，你的核电站每停运一天，你每天就会损失大约200万美元的电力，所以缩短停运时间是目前该行业的一件大事。”

他补充说：“该团队的目标是找到使现有工厂能够更长时间运行的方法：让它们停运的时间更短，并且与现在一样安全或更安全--不是偷工减料，而是利用智能科学，以更少的努力获得相同的信息。而这正是这项新技术似乎能提供的东西。”

肖特希望，通过对关键部件进行频繁的、简单的和廉价的测试，这将有助于使发电厂的运行许可再延长几十年而不影响安全。他说：“现有的大型发电厂 "每年每座发电厂产生的无碳电力仅略低于10亿美元，而将一座新的发电厂上线可能需要十年以上的时间。为了弥合这一差距，保持我们目前的核电在线是我们为应对气候变化所能做的最大的一件事。"

该团队包括麻省理工学院、爱达荷国家实验室、英国曼彻斯特大学和伦敦帝国学院、橡树岭国家实验室、电力研究所、东北大学、加州大学伯克利分校和科大的研究人员。这项工作得到了麻省理工学院国际设计中心和新加坡科技设计大学、美国核管理委员会和美国国家科学基金会的支持。