研究は、原子炉におけるグラファイトの寿命に光を当てます| MITニュース

グラファイトは、世界で最も古い原子炉のいくつかと、今日建設されている次世代のデザインの多くにおいて重要な構造成分です。しかし、それはまた、放射線に応じて凝縮して膨らみます – そして、それらの変化の背後にあるメカニズムは研究が困難であることが証明されています。

現在、MITの研究者と協力者は、グラファイトの特性と、放射線に応じて材料がどのように振る舞うかとの間のリンクを明らかにしています。調査結果は、世界中の原子炉で使用されるグラファイト材料の寿命を予測する、より正確で破壊的でない方法につながる可能性があります。

「私たちは、腫れにつながり、最終的にはグラファイト構造の失敗につながるものを理解するためにいくつかの基礎科学を行いました」と、新しい研究の上級著者であるMIT研究科学者のボリス・カイコビッチは言います。 「これを実践するためにはさらに研究が必要になりますが、この論文は業界にとって魅力的なアイデアを提案しています。それらの失敗点を理解するために何百もの照射されたサンプルを破る必要はないかもしれません。」

具体的には、この研究では、グラファイト内の細孔のサイズと、材料の膨張と体積が縮小する方法と劣化につながる方法との関係が示されています。

「核グラファイトの寿命は、照射による腫れによって制限されています」と、共著者であり、MITの研究科学者ランス・スニードは言います。 「多孔性はこの腫脹の制御要因であり、マンハッタンプロジェクト以来、グラファイトは核適用のために広範囲に研究されていますが、機械的特性と腫れの両方の多孔性を明確に理解していません。この作業はそれに対処しています。」

オープンアクセスペーパー 今週に登場します 学際的な資料。 Khaykovich、Snead、MIT Research ScientistのSean Fayfar、元MIT研究員のDurgesh Rai、Stony Brook University助教授のDavid Sprouster、Oak Ridge National Laboratory Scientist Anne Campbell、およびArgonne National Laboratory Physist Jan Ilavskyによって共著されています。

長年の複雑な素材

1942年以来、物理学者とエンジニアがシカゴ大学の改造されたスカッシュコートに世界初の原子炉を建設したとき、グラファイトは原子力エネルギーの世代において中心的な役割を果たしてきました。シカゴパイルと呼ばれる最初の原子炉は、約40,000個のグラファイトブロックで構成されており、その多くにはウランのナゲットが含まれていました。

今日、グラファイトは多くの動作中の核原子炉の重要な成分であり、溶融塩や高温ガス反応器などの次世代反応器設計で中心的な役割を果たすことが期待されています。それは、グラファイトが優れた中性子モデレーターであり、核核分裂によって放出される中性子を減速させるため、爪自体を作り、連鎖反応を維持する可能性が高いためです。

「グラファイトのシンプルさは価値があります」とカイコビッチは説明します。 「それは炭素で作られており、それをきれいにする方法は比較的有名です。グラファイトは非常に成熟した技術です。それはシンプルで安定しており、私たちはそれが機能することを知っています。」

しかし、グラファイトには複雑さもあります。

「炭素原子のみで構成されているにもかかわらず、グラファイトを複合と呼びます」とカイコビッチは言います。 「より結晶性の「フィラー粒子」が含まれ、その後、結晶性の低い「バインダー」と呼ばれるマトリックスがあり、ナノメートルから多くのミクロンまでの長さに及ぶ細孔があります。」

各グラファイトグレードには独自の複合構造がありますが、それらにはすべてフラクタルまたは異なるスケールで同じように見える形状が含まれています。

これらの複雑さにより、グラファイトが顕微鏡的な詳細で放射線にどのように反応するかを予測することが難しくなりましたが、グラファイトが照射されると、最初に濃縮し、膨張して亀裂の前に最大10％減少することが知られています。体積の変動は、グラファイトの気孔率と格子応力の変化によって引き起こされます。

「グラファイトは、材料がそうであるように、放射線下で劣化します」とカイコビッチは言います。 「だから、一方で非常によく知られている素材があり、一方で、非常に複雑な素材があり、コンピューターシミュレーションを通じて予測することは不可能な動作があります。」

この研究では、研究者はオークリッジ国立研究所から照射されたグラファイトサンプルを受け取りました。共著者のキャンベルとスニードは、20年ほど前にサンプルの照射に関与していました。サンプルは、G347Aとして知られるグラファイトのグレードです。

研究チームは、X線散乱として知られる分析手法を使用しました。これは、X線ビームの散乱強度を使用して材料の特性を分析します。具体的には、サンプルの細孔のサイズと表面積の分布、または材料のフラクタル寸法として知られているものを調べました。

「散乱強度を見ると、多孔性の広い範囲が見えます」とフェイファーは言います。 「グラファイトにはこのような大きな鱗に多孔性があり、このフラクタルの自己類似性があります。非常に小さなサイズの細孔がミクロンにまたがる毛穴に似ているように見えるので、フラクタルモデルを使用して、長さのスケールにわたって異なる形態を関連付けます。」

フラクタルモデルは以前にグラファイトサンプルで使用されていましたが、材料の細孔構造がどのように変化したかを確認するために照射されたサンプルでは使用されていませんでした。研究者たちは、グラファイトが最初に放射線にさらされると、物質が劣化するにつれてその毛穴が満たされることを発見しました。

「しかし、私たちにとって非常に驚いたのはです [size distribution of the pores] Fayfar氏は、次のように述べています。グラファイトが長い間照射された後、回復を開始したようです。これは、新しい毛穴を作成するアニーリングプロセスのようなもので、毛穴が滑らかになり、少し大きくなります。それは大きな驚きでした。」

研究者は、細孔のサイズ分布が放射線損傷によって引き起こされる体積変化に密接に従うことを発見しました。

「間に強い相関関係を見つける [size distribution of pores] そして、グラファイトの体積の変化は新しい発見であり、照射下での材料の故障に接続するのに役立ちます。「カイコビッチは言います。

研究から原子炉まで

研究者は、他のグラファイトグレードを研究し、照射されたグラファイトの細孔サイズが故障の確率とどのように相関するかをさらに調査することを計画しています。彼らは、ワイブル分布として知られる統計的手法を使用して、故障までグラファイトの時間を予測できると推測しています。ワイブル分布は、陶器や金属合金のような他の多孔質材料の故障の可能性を説明するためにすでに使用されています。

Khaykovichはまた、調査結果が材料が照射下で濃縮して膨張する理由の理解に貢献できると推測しました。

「グラファイトのこれらの小さなスケールで何が起こっているのかを考慮した密度の定量的モデルはありません」とKhaykovich氏は言います。 「グラファイトの照射濃度化は、砂または砂糖を思い出させます。そこでは、大きな断片を小さな穀物に押しつぶすと濃縮します。核グラファイトの場合、粉砕力は中性子がもたらすエネルギーであり、大きな毛穴で満たされ、より多くのエネルギーと扇動がさらに多くの毛穴をもたらします。

研究者は、この論文を、未来の原子炉でのグラファイトの生産と使用を通知するための重要なステップとして説明しています。

「グラファイトは非常に長い間研究されてきましたが、さまざまな環境でどのように反応するかについて多くの強い直感を開発しましたが、原子炉を構築するとき、詳細は重要です」とカイコビッチは言います。 「人々は数字を望んでいます。熱伝導率がどれだけ変化するか、どれだけの亀裂と体積の変化が発生するかを知る必要があります。コンポーネントがボリュームを変えている場合、ある時点でそれを考慮に入れる必要があります。」

この作業は、一部には米国エネルギー省によってサポートされていました。