许多分析人士认为，控制温室气体排放最有效的方法之一是延长现有核电站的寿命。但这样做需要监测许多关键部件的状况，以确保热和辐射造成的损坏没有导致，也不会导致不安全的开裂或脆化。
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一种新方法可以大大减少核动力反应堆某些重要安全检查所需的时间和费用。该方法可以在短期内节省资金并增加总功率输出，并且从长远来看可能会增加工厂的安全运行寿命。
许多分析人士认为，控制温室气体排放最有效的方法之一是延长现有核电站的寿命。但是，如果要将这些设备延长到超出其最初允许的运行寿命，就需要监测许多关键部件的状况，以确保热和辐射造成的损坏不会，也不会导致不安全的开裂或脆化。
今天，测试反应堆的不锈钢部件——构成防止热量积聚的管道系统的大部分，以及许多其他部件——需要移除测试件，称为试样，与相邻的钢材相同实际组件，以便它们经历相同的条件。或者，它需要移除一小部分实际操作组件。这两种方法都是在代价高昂的反应堆停工期间完成的，这会延长这些计划中的停工时间并每天花费数百万美元。
现在，麻省理工学院和其他地方的研究人员提出了一种新的、廉价的、不干涉的测试，可以产生关于这些反应堆组件状况的类似信息，而在停机期间所需的时间要少得多。麻省理工学院核科学与工程教授迈克尔·肖特 (Michael Short) 发表的一篇论文今天在Acta Materiala杂志上报道了这一发现;Saleem Al Dajani '19 SM '20，他在麻省理工学院完成了该项目的硕士工作，现在是沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学 (KAUST) 的博士生;麻省理工学院和其他机构的其他 13 人。
该测试涉及将激光束对准不锈钢材料，从而在表面产生表面声波 (SAW)。然后使用另一组激光束来检测和测量这些 SAW 的频率。对与核电站相同老化的材料进行的测试表明，当材料降解时，波会产生独特的双峰光谱特征。
Short 和 Al Dajani 于 2018 年开始了这一过程，寻找一种更快速的方法来检测一种特定类型的退化，称为旋节线分解，这种退化可能发生在奥氏体不锈钢中，用于 2 至 3 等部件- 将冷却水输送到反应堆堆芯和从反应堆堆芯运出的一英尺宽的管道。在紧急情况下，此过程可能导致脆化、开裂和潜在故障。
肖特说，虽然旋节线分解不是反应堆部件中可能发生的唯一退化类型，但它是核反应堆寿命和可持续性的主要关注点。
“我们一直在寻找一种信号，可以将材料脆化与我们可以测量的特性联系起来，可以用来估计结构材料的寿命，”Al Dajani 说。
他们决定尝试 Short 和他的学生及合作者扩展的一种技术，称为瞬态光栅光谱学 (TGS)，用于已知由于其类似反应堆的热老化历史而经历旋节线分解的反应堆材料样品。该方法使用激光束来刺激，然后测量材料上的 SAW。当时的想法是，分解应该会减慢通过材料的热流速度，这种减慢可以通过 TGS 方法检测到。
然而，事实证明并没有这种放缓。“我们假设我们会看到什么，但我们错了，”肖特说。
他说，这通常是科学中事情的发展方式。“出于一个很好的理由，你带着枪去寻找某种东西，结果证明你错了。但如果你仔细观察，你会发现数据中的其他模式揭示了大自然真正要说的话。”
相反，数据中显示的是，虽然材料通常会为材料的 SAW 产生单个频率峰值，但在退化的样品中会分裂成两个峰值。
“这是一个非常清晰的数据模式，”肖特回忆道。“我们只是没有预料到它，但它就在那里在测量中向我们尖叫。”
铸造奥氏体不锈钢(如用于反应器部件的那些)被称为双相钢，实际上是在设计上在同一材料中混合了两种不同的晶体结构。但是，虽然这两种类型中的一种完全不受旋节线分解的影响，但另一种却很容易受到它的影响。当材料开始降解时，差异会体现在材料的不同频率响应中，这是团队在他们的数据中发现的。
不过，这一发现完全出人意料。“我现在和以前的一些学生不相信它会发生，”肖特说。“根据我们的初步统计数据，我们无法说服我们自己的团队正在发生这种情况。” 于是，他们又回去进行了进一步的测试，不断强化了结果的意义。他们达到了 99.9% 的置信水平，即旋节线分解确实与波峰分离一致。
“我们与那些反对我们最初假设的人的讨论最终将我们的工作提升到了一个新的水平，”Al Dajani 说。
他们所做的测试使用了基于实验室的大型激光和光学系统，因此研究人员正在努力进行的下一步是将整个系统小型化，使其成为一种易于携带的测试套件，用于检查反应堆组件-现场，减少停机时间。“我们正在取得长足进步，但我们还有一段路要走，”他说。
但他说，当他们实现下一步时，可能会产生重大影响。Al Dajani 说：“对于一个典型的千兆瓦级反应堆，核电站每天发生故障，每天会损失大约 200 万美元的电力，”Al Dajani 说，“因此，缩短停电时间是目前该行业的一件大事。”
他补充说，该团队的目标是找到使现有工厂运行更长时间的方法：“让它们停机的时间更短，并且与现在一样安全或更安全——不是偷工减料，而是使用智能科学让我们以更少的努力获得相同的信息。” 这就是这项新技术似乎可以提供的。
肖特希望，通过对关键部件进行频繁、简单和廉价的测试，这有助于在不影响安全的情况下将电厂运营许可证延长几十年。他说，现有的大型电厂“每年每家电厂产生的无碳电力将近 10 亿美元”，而让新电厂上线可能需要十多年时间。“为了弥合这一差距，让我们目前的核武器保持在线状态是我们应对气候变化所能做的最重要的事情。”
该团队包括麻省理工学院、爱达荷国家实验室、英国曼彻斯特大学和伦敦帝国理工学院、橡树岭国家实验室、电力研究所、东北大学、加州大学伯克利分校和 KAUST 的研究人员。这项工作得到了麻省理工学院国际设计中心和新加坡科技设计大学、美国核管理委员会和美国国家科学基金会的支持。
