Техника в реальном времени напрямую изображает сбой материала в 3D для повышения безопасности и долговечности ядерных реакторов и долговечности

Исследователи MIT разработали метод, который позволяет в режиме реального времени, 3D-мониторинг коррозии, растрескивания и других процессов разрушения материала в среде ядерного реактора.

Это может позволить инженерам и ученым разрабатывать более безопасные ядерные реакторы, которые также обеспечивают более высокую производительность для таких приложений, как производство электроэнергии и мощность военно -морских сосудов.

Во время их экспериментов исследователи использовали чрезвычайно мощные рентгеновские снимки, чтобы имитировать поведение нейтронов, взаимодействующих с материалом внутри ядерного реактора.

Они обнаружили, что добавление буферного слоя диоксида кремния между материалом и его субстратом и сохранение материала под рентгеновским пучком в течение более длительного периода времени улучшает стабильность образца. Это позволяет контролировать процессы сбоя материала в реальном времени.

Реконструируя данные трехмерных изображений о структуре материала по мере его сбоя, исследователи могут спроектировать более устойчивые материалы, которые могут лучше противостоять стрессу, вызванного облучением внутри ядерного реактора.

«Если мы сможем улучшить материалы для ядерного реактора, это означает, что мы можем продлить срок службы этого реактора. Это также означает, что материалам потребуется больше времени, поэтому мы можем получить большее использование из ядерного реактора, чем мы сейчас. Кларк Хардвик профессор, и Департамент электротехники и компьютерных наук (EECS) и Колледж компьютерных технологий MIT Schwarzman.

Джоссо, старший автор исследования по этой технике, присоединился к газете ведущим автором Дэвидом Саймонном, постдоком NSE; Райли Хульквист, аспирант в NSE; Цзянтао Чжао, из европейского синхротрона; и Андреа Реста, синхротрона Солей. Исследование есть опубликовано в журнале Письменный материалПолем

«Только с этой техникой мы можем измерить штамм с помощью наноразмерного разрешения во время процессов коррозии. Наша цель-донести такие новые идеи в сообщество ядерных наук, используя синхротроны как в качестве рентгеновского зонда, так и источника радиации»,-добавляет Саймонн.

Визуализация в реальном времени

Изучение сбоя материалов в реальном времени, используемых в передовых ядерных реакторах, уже давно стало целью исследовательской группы Джоссо.

Обычно исследователи могут узнать о таких материальных сбоях только после факта, удалив материал из окружающей среды и визуализируя его с помощью инструмента с высоким разрешением.

«Мы заинтересованы в том, чтобы наблюдать за процессом, как это происходит. Если мы можем это сделать, мы можем следовать материалу от начала до конца и посмотреть, когда и как он терпит неудачу. Это помогает нам понять материал намного лучше», – говорит он.

Они имитируют процесс, запустив чрезвычайно сфокусированный рентгеновский луч в образце, чтобы имитировать окружающую среду внутри ядерного реактора. Исследователи должны использовать специальный тип высокоинтенсивного рентгеновского излучения, который находится только в нескольких экспериментальных объектах по всему миру.

Для этих экспериментов они изучали никель, материал, включенный в сплавы, которые обычно используются в современных ядерных реакторах. Но прежде чем они смогут начать рентгеновское оборудование, им пришлось подготовить образец.

Для этого исследователи использовали процесс, который называется Dewetting твердого состояния, который включает в себя нанесение тонкой пленки материала на подложку и нагревать его до чрезвычайно высокой температуры в печи, пока не превратится в монокристаллыПолем

«Мы думали, что сделать образцы станет прогулкой в парке, но это не так», – говорит Джоссо.

Когда никель нагрелся, он взаимодействовал с кремниевым субстратом и сформировал новое химическое соединение, по существу, сорвав весь эксперимент. После долгих испытаний и ошибок исследователи обнаружили, что добавление тонкого слоя диоксида кремния между никелем и субстратом предотвращал эту реакцию.

Но когда кристаллы образовались на вершине слоя буфера, они были сильно напряжены. Это означает индивидуальные атомы немного переехал на новые позиции, вызвав искажения в кристаллическая структураПолем

Алгоритмы извлечения фазы обычно могут восстанавливать 3D-размер и форму кристалла в режиме реального времени, но если в материале слишком много напряжения, алгоритмы будут терпеть неудачу.

Тем не менее, команда была удивлена, обнаружив, что поддержание рентгеновского луча, обучаемого на образец в течение более длительного периода времени, вызвало медленное расслабление напряжения из-за силиконового буферного слоя. После нескольких дополнительных минут рентгеновских лучей образец был достаточно стабильным, чтобы они могли использовать алгоритмы извлечения фазы для точного восстановления трехмерной формы и размера кристалла.

«Никто не мог сделать это раньше. Теперь, когда мы можем сделать этот кристалл, мы можем изобразить электрохимические процессы, такие как коррозия в режиме реального времени, наблюдение за тем, как кристалл не удается в 3D в условиях, которые очень похожи на внутри А ядерный реакторПолем Это имеет далеко идущие последствия »,-говорит он.

Они экспериментировали с другим субстратом, таким как титанат стронция Niobium, и обнаружили, что только кремниевая пластина диоксида диоксида кремния создала этот уникальный эффект.

Неожиданный результат

Когда они настраивали эксперимент, исследователи обнаружили кое-что еще.

Они также могут использовать рентгеновский луч, чтобы точно контролировать количество деформации в материале, что может иметь значение для развития микроэлектроники.

В сообществе микроэлектроники инженеры часто вводят напряжение для деформирования кристаллической структуры материала таким образом, чтобы повысить его электрические или оптические свойства.

«С нашей техникой инженеры могут использовать рентгеновские снимки для настройки напряжения в микроэлектронике, пока они их производят. Хотя это не было нашей целью с этими экспериментами, это похоже на получение двух результатов по цене одного»,-добавляет он.

В будущем исследователи хотят применить эту технику к более сложным материалам, таким как стальные и другие металлические сплавы, используемые в ядерных реакторах и аэрокосмическом применении. Они также хотят видеть, как изменение толщины буферного слоя диоксида кремния влияет на их способность контролировать деформацию в кристаллическом образце.

«Это открытие является значительным по двум причинам. Во-первых, оно дает фундаментальное понимание того, как наноразмерные материалы реагируют на излучение-вопрос растущего значения для энергетических технологий, микроэлектроники и квантовых материалов. Во-вторых, это подчеркивает критическую роль субстрата в конструкции в релаксации деформации, показывая, что поддерживающая поверхность может определять частицы или высвобождаемые псевдонимы на пленку, которые выступают в форме Adin-Adin-Adin-Adin-Adint-Adint-Adin-Adin-Adin-Adin-Adin-Adintiin-Adintiin-Adin Политехнический институт Ренсселера, который не был связан с этой работой.

Эта история переиздана предоставлена MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярный сайт, который охватывает новости о исследованиях, инновациях и преподавании MIT.