Radioaktivität ist nicht erwünscht! Argonne nutzt schwere Ionen, um den Abbau von Kernmaterialien schnell und sicher herbeizuführen

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Die neueste Strahllinie von Argonne verschlechtert die Materialeigenschaften an einem Tag so stark wie ein Kernreaktor in einem Jahr, abzüglich der Radioaktivität

Befindet sich beim US-Energieministerium (DAMHIRSCHKUH) Argonne National Laboratory, das DAMHIRSCHKUH Die Benutzereinrichtung des Office of Science ist unter Physikern für ihre Fähigkeit bekannt, Kerne zu untersuchen – den Kern der Materie und den Treibstoff von Sternen. Jetzt liefern seine hohen Energien auch schnell neue Informationen darüber, was mit einem Material in einem passiert nuklear Reaktor.

Mit der kürzlich erfolgten Inbetriebnahme des ATLAS Materialbestrahlungsstation (AMIS) und mit Unterstützung der National Nuclear Security Administration nutzen Argonne-Wissenschaftler einige der niedrigsten Energien des Beschleunigers, um schwere Ionen zu transportieren und die Eigenschaften von Kernmaterialien zu verschlechtern, ohne sie zu aktivieren. Kurz gesagt: Die Wissenschaftler können die Eigenschaften der Materialien ohne die Radioaktivität beeinflussen, die mit der Bestrahlung in einem Reaktor verbunden sein kann. Diese Schadensstudien sind von wesentlicher Bedeutung für die Entwicklung neuer Materialien für Kernreaktoren, die erhebliche Mengen zuverlässigen Stroms ohne schädliche Kohlenstoffemissionen erzeugen können.

„Schwerionenstrahlen sind ein Geschenk“, sagte Jerry Nolen, ein Argonne Distinguished Fellow und Physiker, der einer der ersten Wissenschaftler war, der die Entwicklung vorschlug AMIS vor mehr als einem Jahrzehnt. Er vergleicht die Schwerionenstrahlen mit AMIS zu einer virtuellen Bowlingkugel, die durch Atomnadeln pflügt.​„Schneller kann man nichts beschädigen.“

Abdellatif Yacout, der leitende Nuklearingenieur, dessen Materialforschungsgruppe das Projekt leitete und die Materialteststation entwickelte, leitet erste Experimente bei AMIS gesponsert von verschiedenen DAMHIRSCHKUH Programme. Das Design, der Bau und die Inbetriebnahme der Strahllinie wurden vom Beschleunigerphysiker Brahim Mustapha geleitet.

„Schwerionenstrahlen sind ein Geschenk.“ — Jerry Nolen, Argonne Distinguished Fellow

Die Schwerionenstrahlen beschleunigten durch ATLAS Zu AMIS Sie führen sofort zu einer erheblichen Verschlechterung der Eigenschaften der Zielmaterialien, die diesen Strahlen ausgesetzt sind. Dies bedeutet, dass es eine große Anzahl von Verschiebungen pro Atom gibt (DPA), wenn Zielmaterialien bestrahlt oder mit einem Strahl getroffen werden. Wissenschaftler wie Yacout sind an einer Vielzahl von DPAs durch Eisen, Xenon, Uran und andere Elemente interessiert, die häufig mit der Kernenergieerzeugung in Zusammenhang stehen, da es wichtig ist zu verstehen, wie sich der Abbau, den diese Elemente in Materialien verursachen, im Vergleich zur Neutronenexposition der Materialien im Inneren des Kerns verhält Umgebung eines Kernreaktors.

Bei AMISDieser Abbau erfolgt sehr schnell, ohne dass die bestrahlten Materialien aktiviert werden (das bedeutet, dass die bombardierten Materialien nicht radioaktiv werden). Dadurch ist der Prozess für alle sicherer und die Materialien erfordern keine besondere Handhabung oder Betriebsverfahren, wenn sie für spätere Analysen verwendet werden. Wissenschaftler können diese Daten ohne Risiko in Stunden statt in Jahren erstellen.

Yacout erklärt: Alle thermischen Reaktoren in den Vereinigten Staaten (derzeit über 90) verursachen Neutronenschäden oder eine Verschlechterung der Materialeigenschaften mit einer Rate von ungefähr 10 DPAs oder weniger pro Jahr. Das ist nicht viel. Es schränkt die Möglichkeit ein, komplexe Forschungen zu fortschrittlichen Kernbrennstoffen und -materialien durchzuführen, da die Erfassung wertvoller Daten viel Zeit in Anspruch nimmt.

„Der AMIS Die Anlage wird Hunderte oder sogar Tausende von DPAs produzieren“, sagte Yacout, der auch die Abteilung für Kraftstoffentwicklung und -qualifizierung innerhalb der Abteilung Chemical and Fuel Cycle Technologies von Argonne leitet.​„Anstatt diesen Schaden in Jahren zu erleiden, wenn man ein Material in einen Kernreaktor einbringt, wird man in wenigen Stunden oder Tagen den gleichen Schaden erleiden, wenn man es dort bestrahlt AMIS Strahllinie, einschließlich Kernbrennstoffmaterialien.“

Im Laufe der Jahre, in denen sie die Entwicklung dieses Prozesses erforschten, stellten Yacout und sein Team zu Beginn des Prozesses Geräte auf, um kurze Experimente durchzuführen ATLAS Strahllinie, weit vor dem Ort ATLAS liefert schwere Ionen mit Energien, die der Coulomb-Barriere nahe kommen (oder diese sogar überschreiten). Ihre Bemühungen unterbrachen manchmal andere Experimente. Außerdem mussten sie mit der langwierigen Vorbereitung und Beladung der Proben, der Gewährleistung des Vakuums und dem Zerlegen des Experiments nach Beendigung des Experiments rechnen. Das alles kostete Zeit, die die Wissenschaftler lieber für Experimente genutzt hätten.

„AMIS „Es geht um Bequemlichkeit und darum, mehr Bestrahlungszeit zur Verfügung zu stellen, damit mehr Nutzer im Kernenergiebereich Zugang zu diesen einzigartigen hochenergetischen Schwerionenstrahlen haben, zu denen sie sonst keinen Zugang hätten“, sagte Yacout.​„AMIS reduziert unproduktive Zeiten und öffnet die Tür zu mehr Studien.“

Eine bereits geplante Modernisierung der Anlage wird die Möglichkeit bieten, mehrere Benutzer zu betreiben AMIS und andere ATLAS Fähigkeiten parallel. Finanzierung für AMIS wurde von der National Nuclear Security Administration bereitgestellt.

Argonne Tandem-Linac-Beschleunigersystem

Dieses Material basiert auf Arbeiten, die vom US-Energieministerium unterstützt werden (DAMHIRSCHKUH), Office of Science, Office of Nuclear Physics, unter Vertragsnummer DE-AC02-06CH11357. Diese Forschung nutzte Ressourcen des Argonne Tandem Linac Accelerator Systems (ATLAS), A DAMHIRSCHKUH Benutzereinrichtung des Office of Science.

Argonne National Laboratory sucht nach Lösungen für drängende nationale Probleme in Wissenschaft und Technik. Als erstes nationales Labor des Landes betreibt Argonne Spitzenforschung in Grundlagenforschung und angewandter Wissenschaft in praktisch allen wissenschaftlichen Disziplinen. Argonne-Forscher arbeiten eng mit Forschern von Hunderten von Unternehmen, Universitäten sowie Bundes-, Landes- und Kommunalbehörden zusammen, um ihnen bei der Lösung ihrer spezifischen Probleme zu helfen, Amerikas wissenschaftliche Führung voranzutreiben und das Land auf eine bessere Zukunft vorzubereiten. Mit Mitarbeitern aus mehr als 60 Nationen wird Argonne von geführt UChicago Argonne, GMBH für die Wissenschaftliches Amt des US-Energieministeriums.

Das Office of Science des US-Energieministeriums ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Für weitere Informationen besuchen Sie https://​ener​gy​.gov/​s​c​ience.

Von dem Argonne National Laboratory.