原子力におけるSTA、TGA、EGA

熱安定性、分解、ガス発生の理解

原子力の研究および技術において、材料は極端な温度、反応性雰囲気、および長い耐用年数にさらされます。これらの材料が熱的、化学的、構造的にどのような挙動を示すかを理解することは、安全性、性能、規制遵守を確保するために不可欠です。

NETZSCH は、同時熱分析(STA)、熱重量分析(TGA)、発生ガス分析(EGA)ソリューションの包括的なラインナップを提供し、原子力アプリケーションの特殊な要件に対応しています。制御された雰囲気下で動作し、再現性のあるデータを提供し、Identify 発生ガスをサポートします:

  • 材料選択と適格性評価
  • 安全関連材料評価
  • 寿命と安定性の評価
  • 燃料、構造、廃棄物材料の研究

高温測定、雰囲気制御、および高度な安全コンセプトにおける数十年の経験により、当社は基礎的な材料研究から応用工学および規制試験まで、幅広い原子力アプリケーションをサポートしています。

TGA

熱重量分析(TGA)は、温度と時間の関数としての質量変化を正確に測定することに重点を置いている。この方法は、原子力研究における物質の安定性と化学反応を調べるための基本的なものである。

一般的な原子力関連のアプリケーションには以下が含まれる:

  • 酸化および腐食挙動の分析
  • 熱分解過程の調査
  • 反応速度論と材料劣化の評価
  • 燃料、廃棄物、格納容器の評価

高い感度と安定したベースライン性能により、small の質量変化に対しても信頼性の高い測定が可能であり、これは原子力関連の材料や安全性評価において特に重要です。

STA

STAは、1回の実験で熱重量分析とDSCを組み合わせ、質量変化と熱効果の同時測定を可能にします。

原子力用途では、STAは以下の特性評価に広く使用されている:

  • 核燃料および燃料前駆体
  • 被覆管および構造材料
  • セラミックス、酸化物、黒鉛
  • 原子炉および廃棄物管理システムの先端材料

STAは、熱安定性、分解反応、酸化・還元反応に関する重要な情報を提供し、核燃料サイクル全体にわたる材料の適格性をサポートします。測定は、不活性ガスや反応性ガスを含む制御された雰囲気下で行うことができ、アプリケーションに関連する環境のシミュレーションが可能です。

イージーエー

FT-IRや質量分析など、EGAと組み合わせることで、STAは加熱中に放出されるガスを同定・定量するための強力なツールとなる。これは次のような用途に不可欠である:

  • 分解生成物の分析
  • 腐食や酸化反応のモニタリング
  • 燃料や廃棄物の挙動評価
  • 安全性と封じ込め研究の支援


NETZSCH カップリングソリューションは、質量変化とガス組成の同時測定を可能にし、原子力環境に関連する熱プロセスのより深い理解を提供します。

比熱と遷移エネルギー

材料のエネルギー貯蔵能力は、その比熱(顕熱)によって部分的に支配される。これは材料によって、格子成分、電子成分、欠陥成分で構成される。この特性は、あらゆる過渡熱伝達プロセスの設計に必要です。また、加工中の燃料の表面酸化/還元やO/M比(欠陥)の定量化にも使用される。場合によっては、比熱は、照射後試験 (PIE)における損傷の程度、例えば蓄積エネルギーの指標として使用することができる。また、熱拡散率データから熱伝導率を計算する際にも必要となります。

遷移エネルギー(潜熱)は、固体-固体相転移、融解/凝固、分解を特徴付けるために必要です。比熱と転移エネルギーは、示差走査熱量測定(DSC)によって最も正確かつ効率的に測定できます。

比熱はレーザーフラッシュ法でも測定できますが、精度が低下し、データポイント数も少なくなります。(DSCでは、温度に依存する比熱データを準連続的に生成することが標準的である)。必要な専門知識があれば、DSCは熱間加工に容易に適応できる。

温度依存性比熱(Cp)

化学量論的UO2は古典的な温度依存性比熱傾向を示すが、UO2.04とUO2.084は約600Kから950Kの間に吸熱(吸熱性)ピークを示す。これはU4O9相の溶解に必要なエネルギーによるものである。UO2.084のピーク面積がUO2.04のピーク面積より大きいのは、U4O9相の量が多いためである。

質量変化と発生ガス

温度依存質量変化と発生ガス分析との組み合わせは、O/M比、燃料加工中のアウトガス、腐食、還元、ガラス固化中の揮発性核分裂生成物/アクチニド、分離プロセスから残留する不純物などの定量化に役立つ貴重な情報を提供します。熱重量分析装置(TGA)または同時TGA-DSC(STA)装置は、四重極質量分析計(QMS)に直接または加熱トランスファーラインを介して結合され、あるいはTGAまたはSTAは加熱トランスファーラインを介してFT-IRに結合され、これらのタイプの分析に広く採用されています。先に述べた他の技術と同様に、これらの装置は高温作業用に簡単に改造することができる。

固相線温度と液相線温度

原子炉の安全な運転条件を確立し、冷却材喪失などの事故シナリオをモデル化するには、固相線温度と液相線温度、および融解温度のデータが必要です。これらの温度は、不純物、放射線損傷、O/M比、燃焼度、そしてもちろん組成によって大きく影響を受けます。

意外なことに、固相線/液相線温度は正確に測定するのが難しいことで知られています。DSCは、これらの測定に最もよく使われる手法ですが、凝固中の過冷却を避けるように注意しなければなりません(特に金属合金では重要です)。試料の時定数や温度上昇率を注意深く考慮する必要がある。ほとんどの金属合金の固相線/液相線温度は、レーザーフラッシュ法(熱伝導率/熱拡散率データによる)でも測定でき、熱膨張測定は導体にも絶縁体にも使用できます。超高温で溶融する材料の場合、温度測定に光学式高温計を用いたサーマルアレスト法を採用することもある。すべてを考慮すると、DSCは最も多用途で正確な方法である。

O/Mレシオ

この図は、加熱中のO/M比を示している。これらの値は、複数の酸素分圧(PO2)下で測定されたTGAデータから計算された。加熱中、O/Mは≈1000℃で減少し始め、試料中のPO2が変化した結果、明らかに異なる減少速度が見られる。

原子力安全・性能・材料研究

NETZSCH Analyzing & Testingは、原子力研究、燃料開発、安全性評価、および材料認定をサポートする実証済みの熱分析ソリューションを提供します。当社の装置は、世界中の研究機関、産業界、政府の研究所で、核物質の熱挙動、安定性、熱物性を管理された再現可能な条件下で調査するために使用されています。

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