Для замедления нейтронов, чтобы они могли легко инициировать ядерные реакции деления, ядерные реакторы используют материал, называемый модератором. В качестве модератора для MSRE ученые использовали синтетический графит, который устойчив к термическому шоку и стабилен с точки зрения размеров благодаря своей обширной системе пор, образованной в процессе производства.
Графит для MSRE был изготовлен на заказ и обладал особым покрытием, которое уменьшало пористость и защищало от возможных последствий, возникающих в момент, когда гидравлическое и газовое давление заставляют расплавленную соль проникать в поры графита. Более того, предотвращение проникновения расплавленной соли решает ряд дополнительных проблем с утилизацией при демонтаже реактора.
После завершения эксперимента в 1969 году потенциал реакторов на расплавленной соли оставался почти неисследованным до начала 21 века, и низкий спрос на специализированный графит привел к прекращению производства на внутреннем рынке. С увеличением исследований реакторов на расплавленной соли, но без специально подготовленного графита, ученым приходится искать альтернативный графит для успешной модерации ядерных реакций в расплавленных солях.
Однако неопределенность в отношении воздействия проникновения расплавленной соли создает преграду для дальнейших исследований. Ученые имеют ограниченное представление о микроскопических свойствах, позволяющих некоторым видам графита лучше сопротивляться проникновению соли, и о том, как проникновение соли влияет на графит.
Используя нейтронную визуализацию, ученые наблюдали и реконструировали проникновение расплавленной соли в графит.
Желая найти новый способ наблюдения за данным процессом, команда ученых из отдела энергетики национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) под руководством Нидии Гальего и Джису Муна изучила проникновение расплавленной соли в различные виды графита и разработала первый метод визуализации и мониторинга глубины проникновения и распределения расплавленной соли в порах графита.
Для нас, как для ученых-материаловедов, важно помочь в разработке и тестировании методов, которые мы можем использовать. Важно хотя бы иметь более четкое представление, что нам нужно сделать, чтобы понять, как соль, попадающая в поры, может влиять на механические или тепловые свойства графита
— Нидия Гальего, научный сотрудник отдела химических наук национальной лаборатории Ок-Ридж.
Методом проб и ошибок
Традиционно ученые измеряли проникновение соли, взвешивая графит до и после контакта с расплавленной солью. Исследователи из ORNL надеялись получить более детальное представление о проникновении, фактически рассматривая, что происходит внутри графита. Чтобы оценить проникновение соли, в начале исследований была использована рентгеновская томография, но этот трудоемкий метод требовал образцов меньшего размера и не предоставлял достаточно данных для близкого изучения внутренних пор графита.
Затем команда перешла к нейтронному изображению, которое подходит для более объемных образцов. Используя инструмент Multimodal Advanced Radiography Station на реакторе высокого потока изотопов (High Flux Isotope Reactor, HFIR), исследователям удалось впервые 3D-визуализировать распределение расплавленной соли в порах графита, что стало первым крупным достижением команды.
В нейтронном изображении коэффициенты затухания нейтронов, описывающие, как нейтронный луч уменьшается при прохождении через материал, сильно различаются между графитом и фторидной солью. Это явление создало сильный визуальный контраст между материалами, который исследователи наблюдали при восстановлении срезов графита.
С помощью трехмерных реконструкций было проведено сравнение проникновения расплавленной соли в поры графита для частиц разных размеров. При конкретных значениях давления и температуры, использованных в экспериментах с воздействием соли, исследователи определили, что в большинстве сверхтонких графитов проникновение было неравномерным, ограничивалось первыми несколькими миллиметрами ниже поверхности графита и локализовалось вокруг периметра сечения образца. В средней и тонкой графитовой структуре, у которой более крупные поры, чем у сверхтонкой графитовой структуры, соль проникала глубже в материал и полностью покрывала площадь сечения образца.
Проникновение расплавленной соли в графит варьируется в зависимости от размера графита. В среднем и тонком графите, который имеет более крупные поры, чем в сверхтонком графите, соль проникает глубже в материал.
В результате исследования команда ученых определила микроструктуру графита, описывающую размер и распределение пор, как наиболее важный фактор, определяющий степень проникновения расплавленной соли и распределение плотности при заданных температуре и давлении.
Проникновение расплавленной соли может существенно влиять на работу реакторов. Эти исследования могут помочь нам оценить воздействие соли на материалы из графита и, таким образом, помочь разработать более стандартизированные методы для проектирования правильных графитовых структур
—Джису Мун, научный сотрудник отдела исследований радиоизотопной науки и технологий.
Будущее проекта
После публикации своих результатов в журнале «Carbon», Гальего и Мун продолжают исследования, целью которых является увеличение разрешения нейтронного изображения и наблюдение за проникновением расплавленной соли при изменяющейся температуре, давлении и времени.
С технической точки зрения существует еще множество улучшений и доработок, которые возможны и интересны ученым, и которые также предоставят нам много информации о динамике и кинетике процесса
—Нидия Гальего.
