許多分析人士認為，控制溫室氣體排放最有效的方法之一是延長現有核電站的壽命。但這樣做需要監測許多關鍵部件的狀況，以確保熱和輻射造成的損壞沒有導致，也不會導致不安全的開裂或脆化。

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一種新方法可以大大減少核動力反應堆某些重要安全檢查所需的時間和費用。該方法可以在短期內節省資金并增加總功率輸出，并且從長遠來看可能會增加工廠的安全運行壽命。

許多分析人士認為，控制溫室氣體排放最有效的方法之一是延長現有核電站的壽命。但是，如果要將這些設備延長到超出其最初允許的運行壽命，就需要監測許多關鍵部件的狀況，以確保熱和輻射造成的損壞不會，也不會導致不安全的開裂或脆化。

今天，測試反應堆的不銹鋼部件——構成防止熱量積聚的管道系統的大部分，以及許多其他部件——需要移除測試件，稱為試樣，與相鄰的鋼材相同實際組件，以便它們經歷相同的條件。或者，它需要移除一小部分實際操作組件。這兩種方法都是在代價高昂的反應堆停工期間完成的，這會延長這些計劃中的停工時間并每天花費數百萬美元。

現在，麻省理工學院和其他地方的研究人員提出了一種新的、廉價的、不干涉的測試，可以產生關于這些反應堆組件狀況的類似信息，而在停機期間所需的時間要少得多。麻省理工學院核科學與工程教授邁克??爾·肖特 (Michael Short) 發表的一篇論文今天在Acta Materiala雜志上報道了這一發現;Saleem Al Dajani '19 SM '20，他在麻省理工學院完成了該項目的碩士工作，現在是沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學 (KAUST) 的博士生;麻省理工學院和其他機構的其他 13 人。

該測試涉及將激光束對準不銹鋼材料，從而在表面產生表面聲波 (SAW)。然后使用另一組激光束來檢測和測量這些 SAW 的頻率。對與核電站相同老化的材料進行的測試表明，當材料降解時，波會產生獨特的雙峰光譜特征。

Short 和 Al Dajani 于 2018 年開始了這一過程，尋找一種更快速的方法來檢測一種特定類型的退化，稱為旋節線分解，這種退化可能發生在奧氏體不銹鋼中，用于 2 至 3 等部件- 將冷卻水輸送到反應堆堆芯和從反應堆堆芯運出的一英尺寬的管道。在緊急情況下，此過程可能導致脆化、開裂和潛在故障。

肖特說，雖然旋節線分解不是反應堆部件中可能發生的唯一退化類型，但它是核反應堆壽命和可持續性的主要關注點。

“我們一直在尋找一種信號，可以將材料脆化與我們可以測量的特性聯系起來，可以用來估計結構材料的壽命，”Al Dajani 說。

他們決定嘗試 Short 和他的學生及合作者擴展的一種技術，稱為瞬態光柵光譜學 (TGS)，用于已知由于其類似反應堆的熱老化歷史而經歷旋節線分解的反應堆材料樣品。該方法使用激光束來刺激，然后測量材料上的 SAW。當時的想法是，分解應該會減慢通過材料的熱流速度，這種減慢可以通過 TGS 方法檢測到。

然而，事實證明并沒有這種放緩。“我們假設我們會看到什么，但我們錯了，”肖特說。

他說，這通常是科學中事情的發展方式。“出于一個很好的理由，你帶著槍去尋找某種東西，結果證明你錯了。但如果你仔細觀察，你會發現數據中的其他模式揭示了大自然真正要說的話。”

相反，數據中顯示的是，雖然材料通常會為材料的 SAW 產生單個頻率峰值，但在退化的樣品中會分裂成兩個峰值。

“這是一個非常清晰的數據模式，”肖特回憶道。“我們只是沒有預料到它，但它就在那里在測量中向我們尖叫。”

鑄造奧氏體不銹鋼(如用于反應器部件的那些)被稱為雙相鋼，實際上是在設計上在同一材料中混合了兩種不同的晶體結構。但是，雖然這兩種類型中的一種完全不受旋節線分解的影響，但另一種卻很容易受到它的影響。當材料開始降解時，差異會體現在材料的不同頻率響應中，這是團隊在他們的數據中發現的。

不過，這一發現完全出人意料。“我現在和以前的一些學生不相信它會發生，”肖特說。“根據我們的初步統計數據，我們無法說服我們自己的團隊正在發生這種情況。” 于是，他們又回去進行了進一步的測試，不斷強化了結果的意義。他們達到了 99.9% 的置信水平，即旋節線分解確實與波峰分離一致。

“我們與那些反對我們最初假設的人的討論最終將我們的工作提升到了一個新的水平，”Al Dajani 說。

他們所做的測試使用了基于實驗室的大型激光和光學系統，因此研究人員正在努力進行的下一步是將整個系統小型化，使其成為一種易于攜帶的測試套件，用于檢查反應堆組件-現場，減少停機時間。“我們正在取得長足進步，但我們還有一段路要走，”他說。

但他說，當他們實現下一步時，可能會產生重大影響。Al Dajani 說：“對于一個典型的千兆瓦級反應堆，核電站每天發生故障，每天會損失大約 200 萬美元的電力，”Al Dajani 說，“因此，縮短停電時間是目前該行業的一件大事。”

他補充說，該團隊的目標是找到使現有工廠運行更長時間的方法：“讓它們停機的時間更短，并且與現在一樣安全或更安全——不是偷工減料，而是使用智能科學讓我們以更少的努力獲得相同的信息。” 這就是這項新技術似乎可以提供的。

肖特希望，通過對關鍵部件進行頻繁、簡單和廉價的測試，這有助于在不影響安全的情況下將電廠運營許可證延長幾十年。他說，現有的大型電廠“每年每家電廠產生的無碳電力將近 10 億美元”，而讓新電廠上線可能需要十多年時間。“為了彌合這一差距，讓我們目前的核武器保持在線狀態是我們應對氣候變化所能做的最重要的事情。”

該團隊包括麻省理工學院、愛達荷國家實驗室、英國曼徹斯特大學和倫敦帝國理工學院、橡樹嶺國家實驗室、電力研究所、東北大學、加州大學伯克利分校和 KAUST 的研究人員。這項工作得到了麻省理工學院國際設計中心和新加坡科技設計大學、美國核管理委員會和美國國家科學基金會的支持。