Исследование механического поведения Фукусимы MCCI с использованием синхротронной рентгеновской томографии и цифровой объемной корреляции.

npj Деградация материалов, том 6, номер статьи: 55 (2022 г.) Цитировать эту статью

1172 Доступа

7 Альтметрика

Подробности о метриках

Основной целью операции по ликвидации последствий катастрофы на Фукусиме является извлечение продуктов взаимодействия расплавленной активной зоны и бетона (MCCI), которые в настоящее время находятся в подвале поврежденных блоков 1–3 ядерного реактора. MCCI представляет собой сплав материалов, состоящий как из оболочки ядерного топлива, так и из соседних структурных компонентов. Определение неизвестных в настоящее время физических и механических свойств MCCI имеет важное значение для успешного и своевременного поиска. В этой статье мы стремимся экспериментально количественно оценить механические свойства материала, изготовленного по образцу MCCI. Небольшой репрезентативный образец был подвергнут механическим испытаниям с использованием ступенчатой ​​нагрузки методом вдавливания по Герцу. Синхротронную рентгеновскую компьютерную томографию проводили на нескольких стадиях нагружения для выявления микроструктуры и механической деградации образца. Полученные томограммы анализировались с помощью цифровой объемной корреляции для измерения полнопольных смещений и деформаций, возникших в объеме образца. Модуль Юнга и коэффициент Пуассона были определены с помощью этой комбинированной методики.

В 2011 году цунами охватило АЭС «Фукусима-дайити» (ФДНЭС) и привело к аварии с потерей теплоносителя, в результате которой частично расплавились энергоблоки 1–3 реактора с кипящей водой. Несмотря на впрыскивание морской воды высокой солености в активные зоны реактора для аварийного охлаждения, температура реактора превысила 2000 °C, расплавив таблетки UO2-топлива, циркониевую оболочку и компоненты, такие как сталь из защитной оболочки и бетон1. После того, как температура в реакторе стабилизировалась ниже 100 ° C, смесь затвердела до стеклокерамики, известной как взаимодействие расплавленного ядра и бетона (MCCI). Уже сейчас для охлаждения поврежденных корпусов реакторов, в которых находится MCCI, ежедневно требуется почти 400 м3 воды за счет тепла, выделяемого при радиоактивном распаде запасов 137Cs и 90Sr2. Химическое взаимодействие охлаждающей воды и MCCI приводит к растворению радионуклидов. Загрязненная охлаждающая вода, вытекающая из поврежденной активной зоны реактора, собирается на соседние предприятия для переработки и восстановления. Однако опасность, связанная с утечками из резервуаров с загрязненной водой, все еще сохраняется, а случаи утечки радиоактивного 137Cs в окружающую среду периодически поступают2. Поэтому крайне важно полностью вывести завод из эксплуатации путем извлечения высокорадиоактивных отходов и их безопасного хранения. Ожидается, что полный вывод из эксплуатации ПДНЭС займет десятилетия, что вызывает обеспокоенность по поводу экологических опасностей, связанных со всем процессом очистки3.

Чрезвычайно высокая дозовая среда в поврежденных корпусах реакторов ФДНЭС требует разработки и производства высокотехнологичного роботизированного оборудования для извлечения встроенного MCCI. Безопасный и эффективный вывод из эксплуатации напрямую связан с практически незначительным нарушением целостности материала во время операций по подъему. Потенциальное невыполнение этой цели может привести к рассеиванию высокорадиоактивного материала в окружающую среду, создавая серьезную радиологическую угрозу для здоровья. Таким образом, точная оценка физических, химических и, преимущественно, механических свойств материала, встроенного в активные зоны реактора, имеет жизненно важное значение для успешного извлечения. Крайне важно сосредоточить внимание на последствиях долгосрочного взаимодействия MCCI, находящихся внутри поврежденных реакторов, с морской и охлаждающей водой. Химическое изменение первоначально сформированного материала может радикально повлиять на его механическое поведение. Ряд исследований, обсуждающих механизмы растворения и образования новых фаз во время старения чернобыльских «лав»4,5,6, может указывать на то, что состав MCCI Фукусимы, а следовательно, и его поведение при деградации, также зависит от времени.

Из-за высокой радиоактивности практически невозможно провести стандартные механические испытания этих материалов и выявить свойства, необходимые для разработки поисковых роботизированных систем. Уровень сложности возрастает, поскольку микроструктура материала значительно неоднородна.