새로운 레이저 기반 시스템으로 재료에 대한 방사선 손상을 지속적으로 모니터링할 수 있음

• 과도 격자 분광법을 기반으로 하는 새로운 시스템은 실시간으로 물질에 대한 방사선 유발 변화를 감지합니다.
• 주어진 재료를 완전히 특성화하는 데 반년이 걸리는 기존 기술에 비해 하루면 충분합니다.

원자력 발전소의 코어에서 발견되는 것과 같은 고방사선 환경은 매우 고품질의 재료를 필요로 합니다. 원자력 시설에서 이러한 물질의 미세 구조 및 성능은 운영 기간에 따라 크게 변합니다.

대부분의 재료는 강화된 침전, 부피 팽창, 탄도 함유물 용해, 조사 보조 응력 부식 균열 및 강화된 분리로 인해 실패합니다.

이러한 가혹한 환경을 견디는 재료의 능력을 테스트하는 기존 방법은 그다지 효과적이지 않습니다. 그들은 재료가 높은 방사선 환경에 노출된 다음 면밀한 검사를 위해 제거되는 '조리 및 보기' 접근 방식에 의존합니다. 그러나 이 공정은 시간이 너무 많이 소요되어 새로운 원자로를 위한 고급 재료의 개발이 지연됩니다.

이 문제를 해결하기 위해 MIT와 Sandia National Laboratories의 연구팀은 방사선 유발 변화를 실시간으로 효과적으로 추적하고 기존 기술보다 더 많은 통찰력을 제공할 수 있는 새로운 시스템을 구축했습니다.

수많은 원자력 시설이 수명을 다하고 있기 때문에 이 기술은 어느 원자력 발전소를 얼마나 안전하게 연장할 수 있는지 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다.

재료를 시험하는 새로운 방법

새로운 레이저 기반 시스템은 준입자 전파를 측정하기 위한 광학 기술인 TGS(Transient Grating Spectroscopy)에 의존합니다. 특성을 손상시키거나 변경하지 않고 열확산 및 탄성을 포함한 재료의 물리적 변화를 감지할 수 있습니다.

팀은 약 2년 동안 이 방법을 테스트했습니다. 이제 시스템은 엔지니어가 원자로 용기 내부의 물질이 시간이 지남에 따라 어떻게 저하되는지 이해하는 데 도움이 될 수 있는 정확한 데이터를 제공할 준비가 되었습니다.

참조:ScienceDirect | doi:10.1016/j.nimb.2018.10.025 | MIT

이것은 누군가가 TGS를 사용하여 방사선으로 인한 손상을 면밀히 관찰한 것은 이번이 처음입니다. 응력에 반응하거나 열을 전도하는 능력과 같이 작동 기간 동안 재료의 속성이 변경되었는지 여부를 감지할 수 있습니다.

방사선 환경을 복제하기 위해 연구원들은 실제 원자로와 유사한 방식으로 재료를 손상시키지만 작업하기에 더 안전하고 제어하기가 훨씬 쉬운 이온빔을 사용하여 중성자 충격의 효과를 시뮬레이션했습니다. 그들은 6메가볼트의 이온 가속기를 사용하여 몇 시간 안에 중성자 노출을 시뮬레이션했습니다.

Sandia National Labs에서 설치 및 테스트한 새 시스템 | 이미지 크레디트:코디 데넷

측정은 레이저 빔을 사용하여 재료 진동을 시뮬레이션한 다음 다른 레이저를 사용하여 표면에서 이러한 진동을 관찰하여 이루어집니다. 이 측정은 주어진 재료의 손상 축적 및 결함과 같은 기타 관련 속성을 결정하는 데에도 사용할 수 있습니다.

실시간으로 재료를 모니터링 하는 시스템이기 때문에 중요한 순간에 실험을 중단하고 손상을 자세히 조사할 수 있습니다. 이를 통해 엔지니어는 이러한 실패의 기계적인 원인을 정확히 찾아낼 수 있습니다.

전통적인 방법은 성능 저하를 유발한 초기 요인을 찾는 데 몇 달이 걸립니다. 반면에 새로운 시스템은 몇 시간 안에 동일한 작업을 수행할 수 있습니다. 보고서에 따르면 주어진 재료의 완전한 특성화에는 단 하루밖에 걸리지 않는 반면 기존 기술은 거의 반년이 걸립니다.

다음은 무엇입니까?

지금까지 연구원들은 텅스텐과 니켈이라는 두 가지 순수한 금속에서 시스템을 테스트했습니다. 앞으로 몇 달 안에 다른 금속과 다양한 종류의 합금을 테스트하는 데 사용할 것입니다.

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팀은 또한 시스템 기능을 더욱 개선하고 방사선에 노출된 물질의 더 많은 특성을 조사하기 위한 진단 도구를 추가하기 위해 노력하고 있습니다.