統合されたX線テストステーションの稼働により、次世代原子炉に必要な材料評価の時間が従来の数日から約6時間に短縮されました。このシステムとその性能データは『シンクロトロン放射線雑誌』に詳述されています。エンジニアはこのセットアップをブルックヘブン国立研究所のX線粉末回折ビームラインに展開しました。このビームラインは国家シンクロトロン光源IIに属しています。この装置は4つの独立したコンピュータ断層撮影モードを単一のテストステージに統合しました。これにより、研究者は対象材料を切断したり損傷させたりすることなく、物体の物理的形状、元素組成、および原子配列を同時に観察できるようになりました。
原子炉部品は、厳しい操作圧力の下で数十年にわたり完全性を維持する必要があります。高い放射線場、機械的ストレス、高温、および化学的腐食は、燃料要素や容器を徐々に損傷させます。これらの微視的構造の変化を理解することは、新しい原子炉設計を認証する前にエンジニアにとって必要不可欠です。
新型X線テストステーションが材料評価の効率を大幅に向上
コンピュータ断層撮影は、物理的な切断を行うことなく内部構造モデルの3Dビューを構築することができます。歴史的に、完全な分析画像を取得するには、オペレーターがサンプルをいくつかの異なる機器に移動させて個別にテストする必要がありました。このような物流の摩擦により、実験は数日間に延長され、異なるテスト条件下で完全に同じ領域を検査することが困難でした。新しいサイトは、高エネルギーまたは「硬い」X線を幅15ミクロンの狭いビームに集中させることでこの問題を解決しました。これは人間の髪の太さの4分の1に相当します。硬いX線は、構造用原子炉鋼やウランのような放射性アクチニウム燃料を含む密な重物質を貫通する能力を持っています。
狭いビームは、単一のサンプル内の高度に秩序された領域と不規則な領域を測定するために必要な空間分解能を提供します。
テストサイクル中、装置の4つのイメージングモードは異なる物理的特徴を同時に記録することができます。X線吸収断層撮影はサンプル内の密度変化を記録し、内部の空洞、亀裂、および隙間の形成を明らかにします。同時に、X線蛍光断層撮影は元素の特徴を追跡し、サンプル体積内の特定の化学元素の位置を描きます。X線回折断層撮影は秩序ある結晶領域に焦点を当て、内部原子格子形成の幾何学的パターンを測定します。ペア分布関数断層撮影は無秩序な非晶領域を分析し、規則的な格子パターンの欠如を詳細に説明します。
ブルックヘブン核科学および安全部の副部長であり、新しい論文の共同著者であるシメルジート・ギルは次のように述べています。「これら4つの技術を同時に実施することで、これらの化学変化が発生する位置を正確に特定し、それを材料の強度および脆性の変化と関連付けることができます。この構造-組成-性質の関係は、私たちが核材料を研究する際に理解したいことです。」
このステーションの能力を検証するために、研究者は異なる直径および化学組成の金属線と粉末を組み合わせた評価サンプルを作成しました。試験は、このステーションが6時間以内に原子位置、元素分布、および物理的境界を同時に記録できることを証明しました。現在、全体のスキャン時間を30分以内に短縮することを目指して、新しい検出器を装備するための開発作業が進行中です。原子炉材料に加えて、科学者たちはこのシステムを利用して環境水処理用の多孔質フィルタ媒体を研究し、充電サイクル中のバッテリー内部の変化を評価しています。