一種新的方法可以大大減少核電反應(yīng)堆中某些重要安全檢查所需的時(shí)間和費(fèi)用。這種方法可以在短期內(nèi)節(jié)省資金并增加總的電力輸出，而且從長遠(yuǎn)來看，它可能會(huì)增加工廠的安全運(yùn)行壽命。

許多分析家認(rèn)為，控制溫室氣體排放的最有效方法之一是延長現(xiàn)有核電站的壽命。但是，將這些電廠延長到其最初允許的運(yùn)行壽命之外，需要監(jiān)測其許多關(guān)鍵部件的狀況，以確保熱和輻射沒有造成損害，也不會(huì)造成不安全的裂紋或脆化。

今天，對反應(yīng)堆的不銹鋼部件--這些部件構(gòu)成了防止熱量堆積的大部分管道系統(tǒng)，以及許多其他部件-的測試需要移除同種鋼的測試件，稱為試樣，這些試樣被放置在實(shí)際部件的旁邊，以便它們經(jīng)歷相同的條件?；蛘撸枰瞥龑?shí)際運(yùn)行部件的一小塊。這兩種方法都是在反應(yīng)堆昂貴的停運(yùn)期間進(jìn)行的，延長了這些預(yù)定的停運(yùn)時(shí)間，每天要花費(fèi)數(shù)百萬美元。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員已經(jīng)想出了一種新的、廉價(jià)的、不需要?jiǎng)邮值臏y試，可以產(chǎn)生關(guān)于這些反應(yīng)堆部件狀況的類似信息，而在停運(yùn)期間所需的時(shí)間要少得多。今天，麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程教授Michael Short、Saleem Al Dajani '19 SM '20(他在麻省理工學(xué)院完成了這個(gè)項(xiàng)目的碩士工作，現(xiàn)在是沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(xué)(KAUST)的博士生)以及麻省理工學(xué)院和其他機(jī)構(gòu)的其他13人在《Acta Materiala》雜志上報(bào)告了這些發(fā)現(xiàn)。

該測試包括將激光束瞄準(zhǔn)不銹鋼材料，在其表面產(chǎn)生表面聲波(SAWs)。然后，另一組激光束被用來檢測和測量這些SAWs的頻率。對與核電站相同老化的材料進(jìn)行的測試表明，當(dāng)材料退化時(shí)，這些波產(chǎn)生了獨(dú)特的雙峰光譜特征。

Short和Al Dajani在2018年開始了這一過程，尋找一種更快速的方法來檢測一種特定的退化，稱為尖晶石分解，這種退化可能發(fā)生在奧氏體不銹鋼中，奧氏體不銹鋼被用于諸如將冷卻劑水輸送到反應(yīng)堆核心的2至3英尺寬的管道等部件。這一過程可能導(dǎo)致脆化、開裂，并在緊急情況下可能出現(xiàn)故障。

Short說，雖然尖晶石分解并不是反應(yīng)堆部件中可能發(fā)生的唯一類型的降解，但它是核反應(yīng)堆的壽命和可持續(xù)性的主要關(guān)注點(diǎn)。

Al Dajani說："我們正在尋找一種信號，可以將材料脆化與我們可以測量的屬性聯(lián)系起來，可以用來估計(jì)結(jié)構(gòu)材料的壽命。”

他們決定嘗試Short和他的學(xué)生及合作者已經(jīng)擴(kuò)展的技術(shù)，稱為瞬態(tài)光柵光譜，或TGS，在已知的反應(yīng)堆材料樣品上，由于其類似反應(yīng)堆的熱老化歷史，經(jīng)歷了旋光分解。該方法使用激光束來刺激，然后測量材料上的SAWs。我們的想法是，分解應(yīng)該減慢通過材料的熱流速度，這種減慢可以通過TGS方法檢測出來。

然而，事實(shí)證明并沒有這種減速。Short說："我們帶著對我們會(huì)看到什么的假設(shè)進(jìn)去，但我們錯(cuò)了。

相反，數(shù)據(jù)中顯示的是，雖然一種材料通常會(huì)產(chǎn)生一個(gè)材料的SAWs的單一頻率峰值，但在退化的樣品中，有一個(gè)分裂成兩個(gè)峰值的現(xiàn)象。

肖特回憶說："這是數(shù)據(jù)中一個(gè)非常清晰的模式，我們只是沒有想到，但它就在那里，在測量中向我們喊話。"

像那些用于反應(yīng)堆部件的鑄造奧氏體不銹鋼是所謂的雙相鋼，實(shí)際上是兩種不同晶體結(jié)構(gòu)在同一材料中的混合設(shè)計(jì)。但是，雖然這兩種類型中的一種相當(dāng)不受尖晶石分解的影響，另一種卻相當(dāng)容易受到影響。當(dāng)材料開始降解時(shí)，這種差異會(huì)在材料的不同頻率響應(yīng)中顯示出來，這就是該團(tuán)隊(duì)在他們的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的。

不過，這一發(fā)現(xiàn)完全是一個(gè)驚喜。肖特說："我的一些現(xiàn)任和前任學(xué)生都不相信它的發(fā)生。我們無法說服我們自己的團(tuán)隊(duì)，以我們所掌握的最初的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，這是在發(fā)生。"因此，他們回去后進(jìn)行了進(jìn)一步的測試，這繼續(xù)加強(qiáng)了結(jié)果的重要性。他們達(dá)到了一個(gè)置信度為99.9%的程度，即旋光分解確實(shí)與波峰分離相吻合。”

Al Dajani說："我們與那些反對我們最初假設(shè)的人的討論，最終將我們的工作推向了新的高度。”

他們所做的測試使用了基于實(shí)驗(yàn)室的大型激光器和光學(xué)系統(tǒng)，因此下一步，研究人員正在努力工作，就是將整個(gè)系統(tǒng)小型化，使其成為一個(gè)容易攜帶的測試工具，用于現(xiàn)場檢查反應(yīng)堆部件，減少停工的時(shí)間。他說："我們正在取得巨大的進(jìn)步，但我們?nèi)杂幸恍┞芬摺?rdquo;

但當(dāng)他們實(shí)現(xiàn)下一步時(shí)，他說，這可能會(huì)帶來巨大的變化。Al Dajani說："對于一個(gè)典型的千兆瓦級反應(yīng)堆來說，你的核電站每停運(yùn)一天，你每天就會(huì)損失大約200萬美元的電力，所以縮短停運(yùn)時(shí)間是目前該行業(yè)的一件大事。”

他補(bǔ)充說：“該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是找到使現(xiàn)有工廠能夠更長時(shí)間運(yùn)行的方法：讓它們停運(yùn)的時(shí)間更短，并且與現(xiàn)在一樣安全或更安全--不是偷工減料，而是利用智能科學(xué)，以更少的努力獲得相同的信息。而這正是這項(xiàng)新技術(shù)似乎能提供的東西。”

肖特希望，通過對關(guān)鍵部件進(jìn)行頻繁的、簡單的和廉價(jià)的測試，這將有助于使發(fā)電廠的運(yùn)行許可再延長幾十年而不影響安全。他說：“現(xiàn)有的大型發(fā)電廠 "每年每座發(fā)電廠產(chǎn)生的無碳電力僅略低于10億美元，而將一座新的發(fā)電廠上線可能需要十年以上的時(shí)間。為了彌合這一差距，保持我們目前的核電在線是我們?yōu)閼?yīng)對氣候變化所能做的最大的一件事。"

該團(tuán)隊(duì)包括麻省理工學(xué)院、愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室、英國曼徹斯特大學(xué)和倫敦帝國學(xué)院、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室、電力研究所、東北大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校和科大的研究人員。這項(xiàng)工作得到了麻省理工學(xué)院國際設(shè)計(jì)中心和新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)、美國核管理委員會(huì)和美國國家科學(xué)基金會(huì)的支持。