яДЕРНЫЙ
STA, TGA и EGA в ядерной промышленности
Понимание термической стабильности, разложения и газообразования
В ядерных исследованиях и технологиях материалы подвергаются воздействию экстремальных температур, реактивной атмосферы и длительному сроку службы. Очень важно понимать, как эти материалы ведут себя термически, химически и структурно, чтобы обеспечить безопасность, производительность и соответствие нормативным требованиям.
NETZSCH компания предлагает обширный портфель решений для одновременного термического анализа (STA), термогравиметрического анализа (TGA) и анализа растворенных газов (EGA), разработанных с учетом специфических требований ядерных применений. Способность работать в контролируемой атмосфере, предоставлять воспроизводимые данные и поддерживать Identify улетучившихся газов:
- выбор и квалификация материалов
- оценки материалов, связанных с безопасностью
- оценки срока службы и стабильности
- исследования материалов для топлива, конструкций и отходов
Благодаря нашему многолетнему опыту в области высокотемпературных измерений, контроля атмосферы и передовых концепций безопасности мы поддерживаем ядерные приложения, начиная с фундаментальных исследований материалов и заканчивая прикладными инженерными и нормативными испытаниями.
TGA
Термогравиметрический анализ (ТГА) направлен на точное измерение изменения массы в зависимости от температуры и времени. Этот метод является основополагающим для изучения стабильности материалов и химических реакций в ядерных исследованиях.
Типичные приложения, связанные с ядерной областью, включают:
- анализ поведения при окислении и коррозии
- исследование процессов термического разложения
- оценка кинетики реакций и деградации материалов
- оценка топлива, отходов и материалов защитной оболочки
Высокая чувствительность и стабильные базовые характеристики позволяют проводить надежные измерения даже при изменении массы small, что особенно важно для оценки ядерных материалов и безопасности.
STA
STA объединяет термогравиметрический анализ и ДСК в одном эксперименте, позволяя одновременно измерять изменения массы и тепловые эффекты.
В ядерных приложениях STA широко используется для определения характеристик:
- ядерного топлива и прекурсоров топлива
- оболочечных и конструкционных материалов
- керамики, оксидов и графита
- современных материалов для реакторов и систем обращения с отходами
STA предоставляет важную информацию о термической стабильности, поведении при разложении, реакциях окисления и восстановления, поддерживая квалификацию материалов на протяжении всего ядерного топливного цикла. Измерения могут проводиться в контролируемых атмосферах, включая инертные и реактивные газы, что позволяет моделировать среды, имеющие отношение к применению.
EGA
В сочетании с ЭГА, например, с помощью ИК-Фурье или масс-спектрометрии, STA становится мощным инструментом для идентификации и количественного определения газов, выделяющихся при нагревании. Это необходимо для:
- анализа продуктов разложения,
- мониторинга реакций коррозии и окисления,
- оценки поведения топлива и отходов,
- поддержки исследований безопасности и герметичности.
NETZSCH решения для сцепления позволяют одновременно измерять изменение массы и состав газа, обеспечивая более глубокое понимание тепловых процессов, актуальных для ядерной среды.
Удельная теплота и энергетика переходных процессов
Способность материала накапливать энергию частично определяется его удельной теплоемкостью (чувствительным теплом). В зависимости от материала она складывается из решеточной, электронной и дефектной составляющих. Это свойство необходимо для проектирования любого переходного процесса теплопередачи. Оно также используется для количественной оценки окисления/восстановления поверхности и соотношения O/M (дефектов) топлива в процессе обработки. В некоторых случаях удельная теплота может использоваться в качестве индикатора степени повреждения при послеоблучательном исследовании (PIE), например, запасенной энергии. Она также необходима для расчета теплопроводности по данным теплопроводности.
Энергия перехода (скрытая теплота) необходима для характеристики переходов твердое тело-твердое тело, плавления/затвердевания и разложения. Как удельная теплота, так и энергия перехода наиболее точно и эффективно измеряются с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК).
Удельную теплоту можно также измерить с помощью метода лазерной вспышки, хотя и с меньшей точностью и только с меньшим количеством точек данных. (Для ДСК стандартным является получение квазинепрерывного набора данных об удельной теплоемкости в зависимости от температуры) При наличии необходимого опыта ДСК может быть легко адаптирована для работы в горячих условиях.
Удельная теплота в зависимости от температуры (Cp)
Стехиометрический UO2 следует классической тенденции зависимости удельной теплоты от температуры, в то время как для UO2.04 и UO2.084 наблюдается эндотермический пик в интервале примерно от 600 до 950 К. Это связано с энергией, необходимой для растворения фазы U4O9. Обратите внимание, что площадь пика для UO2.084 больше, чем для UO2.04, из-за большего количества фазы U4O9.
Изменение массы и эволюция газов
Зависимое от температуры изменение массы в сочетании с анализом улетучившихся газов дает ценную информацию для количественного определения соотношения O/M, газовыделения в процессе переработки топлива, коррозии, восстановления, летучих продуктов деления/актинидов при остекловывании, примесей, оставшихся после процесса разделения, и т. д. Термогравиметрические анализаторы (ТГА) или одновременные приборы ТГА-ДСК (STA), соединенные с квадрупольным масс-спектрометром (QMS) напрямую или через линию передачи с подогревом, или ТГА или STA, соединенные с ИК-Фурье через линию передачи с подогревом, широко используются для этих типов анализа. Как и в случае с другими методами, рассмотренными ранее, эти приборы можно легко модифицировать для работы в горячих условиях.
Температуры солидуса и ликвидуса
Данные о температурах твердого тела и жидкости, а также о температуре плавления необходимы для установления безопасных условий эксплуатации реактора и моделирования сценариев аварий, таких как потери теплоносителя. На эти температуры сильно влияют примеси, радиационное повреждение, соотношение O/M, выгорание и, конечно, состав.
Удивительно, но температуры солидуса/ликвидуса, как известно, трудно поддаются точному измерению. Для таких измерений чаще всего используется метод ДСК, но при этом необходимо следить за тем, чтобы избежать переохлаждения во время затвердевания (особенно это важно для металлических сплавов). Необходимо тщательно учитывать постоянные времени образца и скорость изменения температуры. Температуры твердого тела/жидкости большинства металлических сплавов также могут быть измерены методом лазерной вспышки (по данным теплопроводности/теплопроводности), а дилатометрия может быть использована как для проводников, так и для изоляторов. Для материалов, которые плавятся при сверхвысоких температурах, иногда применяется термическая остановка с использованием оптических пирометров для измерения температуры. В целом, ДСК является наиболее универсальным и точным методом.
Соотношение О/М
На этом рисунке показано соотношение O/M во время нагревания. Эти значения были рассчитаны на основе данных ТГА, измеренных при различных парциальных давлениях кислорода (PO2). Во время нагрева O/M начинает уменьшаться при ≈1000°C, причем наблюдаются явные различия в скорости уменьшения, обусловленные изменением PO2 в образце.
Ядерная безопасность, эксплуатационные характеристики и исследования материалов
NETZSCH Компания Analyzing & Testing предлагает проверенные решения в области термического анализа для поддержки ядерных исследований, разработки топлива, оценки безопасности и квалификации материалов. Наши приборы используются по всему миру в научно-исследовательских институтах, промышленных и государственных лабораториях для исследования теплового поведения, стабильности и теплофизических свойств ядерных материалов в контролируемых и воспроизводимых условиях.
Загрузки и медиа
Брошюры
Сопутствующие устройства
Литература по применению
Консультации и продажи
У вас есть дополнительные вопросы о приборе, методе и вы хотите поговорить с торговым представителем?
Обслуживание и поддержка
У вас уже есть прибор, и вам нужна техническая поддержка или запасные части?