Исследование проливает свет на срок службы графита в ядерных реакторах | MIT News

Графит является ключевым структурным компонентом в некоторых старейших в мире ядерных реакторах и многих из проектов следующего поколения, которые строятся сегодня. Но это также конденсируется и набухает в ответ на радиацию – и механизм этих изменений оказался трудно изучать.

Теперь исследователи и сотрудники MIT обнаружили связь между свойствами графита и тем, как материал ведет себя в ответ на излучение. Результаты могут привести к более точным, менее разрушительным способам прогнозирования продолжительности жизни графитовых материалов, используемых в реакторах по всему миру.

«Мы сделали некоторую базовую науку, чтобы понять, что приводит к отек, и, в конечном итоге, неудачи в графитовых структурах», – говорит научный сотрудник MIT Борис Хейкович, старший автор нового исследования. «Потребуются дополнительные исследования, чтобы применять это на практике, но в статье предлагается привлекательная идея для промышленности: вам, возможно, не нужно разбивать сотни облученных образцов, чтобы понять их точку неудачи».

В частности, исследование показывает связь между размером пор в графите и тем, как материал раздувается и уменьшается в объеме, что приводит к деградации.

«Срок службы ядерного графита ограничена припухшей к облучению»,-говорит соавтор и научный сотрудник MIT Ланс Снид. «Пористость является контролирующим фактором в этом отете, и, хотя графит широко изучался для ядерных применений со времен Манхэттенского проекта, у нас все еще нет четкого понимания пористости как в механических свойствах, так и на отеках. Эта работа рассматривает это».

Открытая бумага появляется на этой неделе в Междисциплинарные материалыПолем Это соавтором Хейкович, Снид, научный сотрудник MIT Шон Файфар, бывший научный сотрудник MIT Durges Rai, доцент университета Стоуни Брук Дэвид Спраустер, научный сотрудник национального лаборатория Оук-Ридж Энн Кэмпбелл и врач национальной лаборатории Аргона Ян Илавский.

Давно изученный, сложный материал

С 1942 года, когда физики и инженеры построили первого в мире ядерного реактора на переоборудованном суде сквош в Чикагском университете, Графит сыграл центральную роль в поколении ядерной энергии. Этот первый реактор, получивший название Чикагской кучи, был построен из примерно 40 000 графитовых блоков, многие из которых содержали самородки урана.

Сегодня Graphite является жизненно важным компонентом многих эксплуатационных ядерных реакторов и, как ожидается, будет играть центральную роль в конструкциях реактора следующего поколения, таких как расплавленные и высокотемпературные газовые реакторы. Это связано с тем, что графит является хорошим модератором нейтронов, замедляющим нейтроны, высвобождаемые ядерными делением, поэтому они с большей вероятностью будут сами создавать недостатки и поддерживать цепную реакцию.

«Простота графита делает его ценным», – объясняет Хайкович. «Он сделан из углерода, и относительно хорошо известно, как сделать его чисто. Графит-очень зрелая технология. Это простая, стабильная, и мы знаем, что он работает».

Но графит также имеет свои сложности.

«Мы называем графит композитом, хотя он состоит из только атомов углерода», – говорит Хайкович. «Он включает в себя« частицы наполнителя », которые являются более кристаллическими, тогда существует матрица, называемая« связующим », которая менее кристаллическая, тогда есть поры, которые длины от нанометров до многих микрон».

Каждый графитный сорт имеет свою собственную составную структуру, но все они содержат фракталы или формы, которые выглядят одинаково в разных масштабах.

Эти сложности затруднили предсказание того, как графит будет реагировать на излучение в микроскопических деталях, хотя на протяжении десятилетий известно, что, когда графит облучается, он сначала уплотнен, уменьшая его объем до 10 процентов, до отек и растрескивания. Флуктуальность объема вызвано изменениями пористости графита и напряжения решетки.

«Графит ухудшается под радиацией, как это делает любой материал», – говорит Хайкович. «Итак, с одной стороны, у нас есть материал, который чрезвычайно известен, и с другой стороны, у нас есть чрезвычайно сложный материал, с поведением, которое невозможно предсказать с помощью компьютерного симуляции».

Для исследования исследователи получали облученные образцы графитов из Национальной лаборатории Оук -Риджа. Соавторы Кэмпбелл и Снид были вовлечены в облучение образцов около 20 лет назад. Образцы представляют собой оценку графита, известный как G347A.

Исследовательская группа использовала метод анализа, известный как рентгеновское рассеяние, которая использует рассеянную интенсивность рентгеновского луча для анализа свойств материала. В частности, они рассмотрели распределение размеров и площадей поверхности пор образца или то, что известны как фрактальные размеры материала.

«Когда вы смотрите на интенсивность рассеяния, вы видите большой диапазон пористости», – говорит Файфар. «Графит имеет пористость по сравнению с такими большими масштабами, и у вас есть эта фрактальная самоподобность: поры в очень маленьких размерах похожи на поры, охватывающие микроны, поэтому мы использовали фрактальные модели, чтобы связать различные морфологии по масштабам длины».

Фрактальные модели использовались на образцах графита ранее, но не на облученных образцах, чтобы увидеть, как изменились структуры пор материала. Исследователи обнаружили, что когда графит сначала подвергается воздействию радиации, его поры заполняются, когда материал разлагается.

«Но то, что нам было удивительным, это [size distribution of the pores] Обратился назад, – говорит Файфар. – У нас был этот процесс восстановления, который соответствовал нашим общим графикам объема, что было довольно странным. Похоже, что после того, как графит облучен так долго, он начинает восстанавливаться. Это своего рода процесс отжига, когда вы создаете несколько новых пор, затем поры сглаживаются и становится немного больше. Это был большой сюрприз ».

Исследователи обнаружили, что распределение по размерам поби близко следует за изменением объема, вызванным повреждением радиации.

«Поиск сильной корреляции между [size distribution of pores] И изменения объема графита – это новый вывод, и это помогает подключиться к отказу материала при облучении, – говорит Хайкович. – Для людей важно знать, как графитовые детали будут терпеть неудачу, когда они находятся под стрессом, и как вероятность неудачи изменяется при облучении ».

От исследований до реакторов

Исследователи планируют изучить другие графитовые оценки и изучить, как размеры пор в облученном графите коррелируют с вероятностью отказа. Они предполагают, что статистическая техника, известная как распределение Вейбулла, может быть использована для прогнозирования времени графита до отказа. Распределение Вейбулла уже используется для описания вероятности отказа в керамике и других пористых материалах, таких как металлические сплавы.

Хейкович также предположил, что результаты могут способствовать нашему пониманию того, почему материалы уплотняются и набухают при облучении.

«Нет количественной модели уплотнения, которая учитывает то, что происходит в этих крошечных шкалах в графите», – говорит Хайкович. «Уплотнение графитового облучения напоминает мне о песке или сахаре, где, когда вы раздавите большие кусочки в более мелкие зерна, они уплотняются. Для ядерного графита силу дробления – это энергия, которую приносят нейтроны, вызывая большие поры, чтобы наполнить меньшие, раздавленные кусочки. Но больше энергии и возбуждения создают еще большие пор, и, таким образом, набухает, что он снова приносит в этот прогресс.

Исследователи описывают статью как важный шаг к информированию производства и использования графитов в ядерных реакторах будущего.

«Графит изучался в течение очень долгого времени, и мы разработали много сильных интуиций о том, как он будет реагировать в разных средах, но когда вы создаете ядерный реактор, подробно рассказывают», – говорит Хайкович. «Люди хотят цифры. Им нужно знать, сколько теплопроводности изменится, сколько трещин и изменения объема произойдет. Если компоненты меняют объем, в какой -то момент вам нужно принять это во внимание».

Эта работа была частично поддержана Министерством энергетики США.