Πώς οι δοκιμές υλικών σε υψηλές θερμοκρασίες συμβάλλουν στην πυρηνική ασφάλεια και σε ένα μέλλον χωρίς άνθρακα

17/11/2024

Μια πρόσφατη δημοσίευση από το Κοινό Κέντρο Ερευνών (JRC) και τους επιστήμονες της NASA διαπιστώνει ότι μια παραδοσιακή τεχνική για τη μελέτη της συμπεριφοράς των υλικών σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες εξακολουθεί να είναι ιδιαίτερα επίκαιρη σήμερα και θα συνεχίσει να έχει σημαντικές εφαρμογές σε επιστημονικές εργασίες που υποστηρίζουν τους στόχους της ΕΕ για τη δράση για το κλίμα.

Το Knudsen Effusion Mass Spectrometry (KEMS) είναι μια τεχνική που χρησιμοποιείται σε ερευνητικά εργαστήρια υλικών για να μελετήσει πώς συμπεριφέρονται τα υλικά σε υψηλές θερμοκρασίες όταν αρχίζουν να εξατμίζονται.

Αναπτύχθηκε στις δεκαετίες του 1950 και του 1960, συμπίπτοντας με την έναρξη της έρευνας για τα πυρηνικά υλικά. Το KEMS χρησιμοποιείται για τη μελέτη της συμπεριφοράς των υλικών στον πυρηνικό τομέα, αλλά και σε άλλους τομείς όπως το διάστημα, η γεωλογία και η μεταλλουργία. Ο χώρος του ΚΚΕρ στην Καρλσρούη χρησιμοποιεί το KEMS από την ίδρυση του το 1963.

Πώς δρα η φασματομετρία μάζας Knudsen Effusion;

Το KEMS μετρά μια ιδιότητα που ονομάζεται «πίεση ατμών», η οποία είναι η τάση μιας ουσίας να εξατμίζεται ή να εξατμίζεται.

Λειτουργεί με θέρμανση ενός μικρού, κλειστού κυττάρου που περιέχει δείγμα του υλικού σε φούρνο κενού. Όταν η θερμοκρασία ανεβαίνει αρκετά υψηλή, το δείγμα εξατμίζεται, προκαλώντας αύξηση της πίεσης μέσα στο κύτταρο. Μια μικρή τρύπα στο κύτταρο επιτρέπει σε μερικούς ατμούς να διαφύγουν, ο οποίος στη συνέχεια μετράται από ένα «φασματόμετρο μάζας». Αυτή η συσκευή μετρά την ένταση του ατμού που διαφεύγει, επιτρέποντας στους επιστήμονες να προσδιορίσουν την τάση ατμών.

Αυτή η πίεση, η «πίεση ατμών σε ισορροπία», είναι η θεμελιώδης ιδιότητα του υλικού που αναζητούν οι ερευνητές.

Συμβολή της KEMS στον πυρηνικό σχεδιασμό και ασφάλεια

Από την ανάπτυξή της, η τεχνική KEMS έχει γίνει ένας απαραίτητος πυλώνας για την κατανόηση των πυρηνικών υλικών. Τα δεδομένα KEMS του ΚΚΕρ χρησιμοποιούνται ως εισροές σε μοντέλα υπολογιστών από εμπορικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής παγκοσμίως.

Τα δεδομένα σχετικά με την εξάτμιση των πυρηνικών καυσίμων παρέχουν πληροφορίες που είναι απαραίτητες για τις αξιολογήσεις της πυρηνικής ασφάλειας και τον σχεδιασμό των αντιδραστήρων. Το ΚΚΕρ Καρλσρούη προώθησε την KEMS για να μελετήσει τη συμπεριφορά των υποπροϊόντων της διεργασίας πυρηνικής σχάσης που λαμβάνει χώρα σε πυρηνικό αντιδραστήρα («προϊόντα σχάσης») υπό συνθήκες ατυχήματος. Τα δεδομένα σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο τα προϊόντα πυρηνικής σχάσης συμπεριφέρονται υπό κανονικές και τυχαίες συνθήκες ενημερώνουν τα πρωτόκολλα ασφαλείας και τις επιδόσεις του αντιδραστήρα.

Από τις δέκα ενεργές ερευνητικές ομάδες που χρησιμοποιούν το KEMS παγκοσμίως, μόνο δύο είναι σε θέση να εργαστούν με πυρηνικά καύσιμα και μόνο το ΚΚΕρ Καρλσρούη με ακτινοβολημένα καύσιμα. Αυτή η μοναδική ικανότητα και πολυετής εμπειρία κατέχει σήμερα το ΚΚΕρ μεταξύ των κορυφαίων ερευνητικών ομάδων του KEMS παγκοσμίως.

Τα αποτελέσματα της KEMS του ΚΚΕρ ήταν καίριας σημασίας για την αξιολόγηση της απελευθέρωσης προϊόντων σχάσης μετά τα ατυχήματα των πυρηνικών σταθμών στη Φουκουσίμα και το Τσερνομπίλ.

Συμβολή στις πράσινες φιλοδοξίες της ΕΕ

Τα δεδομένα KEMS από το ΚΚΕρ χρησιμοποιούνται επίσης από ερευνητές για τον σχεδιασμό νέων καυσίμων για την καύση πυρηνικών αποβλήτων. Αυτές οι καινοτόμες συνθέσεις καυσίμων αποσκοπούν στην ενίσχυση της διαχείρισης των αποβλήτων.

Μια ελπιδοφόρα λύση για την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας χαμηλών ανθρακούχων εκπομπών είναι η ανάπτυξη μικρών μορφωματικών αντιδραστήρων (SMR). Αυτοί οι μικροί πυρηνικοί αντιδραστήρες χρησιμοποιούν πυρηνική σχάση για να παράγουν θερμότητα που μπορεί να παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Μπορούν να χρησιμοποιήσουν μια σειρά ψυκτικών ουσιών, συμπεριλαμβανομένου του ελαφρού νερού, του υγρού μετάλλου ή του τηγμένου άλατος. Τα δεδομένα KEM του ΚΚΕρ έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί για να καταδείξουν τις επιδόσεις των καυσίμων σε άδειες για καύσιμα λιωμένου άλατος για ΚΑΔ. Τα δεδομένα τεκμηριώνουν τις ρυθμιστικές αποφάσεις και διασφαλίζουν την ασφαλή λειτουργία τους.