Американская национальная лаборатория Брукхейвен разработала интегрированный инструмент рентгеновской визуализации для исследований ядерных материалов

Исследовательская группа Национальной лаборатории Брукхейвена Министерства энергетики США недавно разработала и создала новую экспериментальную установку, объединяющую четыре технологии рентгеновской компьютерной томографии в одном приборе, что позволяет проводить многоуровневые комплексные исследования материалов для ядерных реакторов следующего поколения. Соответствующие технические результаты и демонстрация возможностей были опубликованы в «Журнале синхротронного излучения».

Установка расположена на линии пучка рентгеновской порошковой дифракции (XPD) Национального источника синхротронного света II (NSLS-II) и была создана по заказу программы пользовательских установок ядерной науки Управления ядерной энергетики Министерства энергетики США, отдела ядерной науки и безопасности Национальной лаборатории Брукхейвена и NSLS-II. Исследователи отмечают, что материалы для ядерных реакторов следующего поколения длительное время находятся в экстремальных условиях — радиационного облучения, коррозии, высоких температур и механических напряжений, — и традиционные методы исследования зачастую требуют нескольких установок и множества экспериментальных процедур для получения относительно полной информации, тогда как новая установка позволяет выполнить различные виды визуализационного анализа на одном и том же образце.

Четыре технологии, интегрированные в установку, включают рентгеновскую абсорбционную КТ, рентгеновскую флуоресцентную КТ, рентгеновскую дифракционную КТ и КТ функции распределения пар. Различные технологии позволяют выявить соответственно физическую структуру образца, элементный состав и распределение элементов, атомное расположение в кристаллических материалах, а также информацию о локальной структуре аморфных материалов. Благодаря высокоэнергетическому «жёсткому» рентгеновскому излучению, генерируемому на линии пучка XPD, исследователи могут проникать и анализировать такие материалы с высокой плотностью и высоким атомным номером, как сталь и ядерное топливо; при этом пучок может фокусироваться до ширины около 15 микрометров, что позволяет получать карты структуры и химического состава с высоким пространственным разрешением.

Исследователи Национальной лаборатории Брукхейвена поясняют, что радиация может изменять структуру материала, вносить дефекты и приводить к перераспределению элементов. Одновременное использование четырёх технологий КТ позволяет исследователям определить местоположение химических изменений и связать их с изменениями прочности и хрупкости материала, что даёт более чёткое представление о взаимосвязи структуры, состава и свойств.

Для проверки характеристик установки исследовательская группа подготовила тестовый образец, содержащий металлические проволоки различных размеров и составов, а также различные порошковые материалы. Результаты экспериментов показали, что система способна одновременно идентифицировать положение различных элементов, способ атомного расположения и структуру материала. Если бы четыре типа испытаний проводились по отдельности на разных приборах, это могло бы занять несколько часов или даже дней; данная интегрированная установка выполнила эксперимент примерно за 6 часов. Исследовательская группа работает над модернизацией оборудования, стремясь сократить время испытаний до менее чем 30 минут, чтобы повысить эффективность экспериментов и расширить возможности пользователей.

Помимо исследований ядерных материалов, установка уже применялась для изучения внутренней структуры пористых материалов в области восстановления водных ресурсов и энергетических технологий, а также поддерживает исследования процессов заряда-разряда аккумуляторов и материалов в других экстремальных условиях. Исследователи отмечают, что эта новая экспериментальная станция поможет научному сообществу изучать материалы для ядерных применений и смежных областей способами, которые ранее были труднодостижимы, и обеспечит поддержку разработки материалов для ядерных реакторов следующего поколения.