Et nytt fiberoptisk sensorsystem kan registrere akustiske signaler over 100 kilohertz (kHz), ifølge forskere ved University of Pittsburgh. Det er rundt fem ganger høyere frekvens enn de 20 kHz forskerne oppgir for de fleste konvensjonelle tilsvarende systemer.

Systemet ble utviklet sammen med den Pittsburgh-baserte oppstartsbedriften Sensible Photonics og testet ved Idaho National Laboratory (INL) i september. Forskerne brukte en modell av en atombrenselbeholder for å undersøke om sensorene kunne registrere vibrasjoner og finne ut hvor signalene kom fra.

Skal overvåke beholdere med brukt atombrensel

Teknologien er utviklet for å overvåke stålbeholdere som inneholder brukt atombrensel. På sikt kan systemet ettermonteres på eksisterende lagringsbeholdere, slik at operatører kan oppdage akustiske signaler som forbindes med sprekker før skadene svekker beholderne.

Testene ble gjennomført fra 8. til 11. september. Forskerne prøvde flere ulike sensoroppsett for å vurdere hvor følsomt systemet var. Demonstrasjonen markerte avslutningen på prosjektets første fase, som er finansiert med støtte fra USAs energidepartement.

Brukt atombrensel blir vanligvis først kjølt ned i vann før det forsegles i stålbeholdere omgitt av lagringskonstruksjoner i betong. Beholderne kan bli stående ved atomanlegg i flere tiår. Selv etter at brenselet er tatt ut av reaktoren, fortsetter det å utvikle varme, og lagringskonstruksjonene har derfor ventilasjonsåpninger som bidrar til å lede varmen bort.

Ved atomanlegg langs kysten kan saltholdig luft trenge inn gjennom åpningene og bidra til korrosjon på stålbeholderne. Over tid kan korrosjonen føre til sprekker som truer den strukturelle integriteten.

Testet med simulerte vibrasjoner

Fiberoptikksystemet er laget for å registrere akustiske utslipp – små vibrasjoner som oppstår når materialer endrer seg, for eksempel når det dannes sprekker.

«People tend to think about fiber-optics as a way to produce faster internet speeds, but it can be used to continuously monitor everything from bridges to batteries to nuclear waste,» sa Khurram Naeem, forskningslektor ved University of Pittsburgh og teknisk leder for demonstrasjonen.

Ifølge Naeem kan systemet oppdage signaler over 100 kHz, sammenlignet med kapasiteten på 20 kHz som han oppgir for de fleste konvensjonelle systemer. Den høyere deteksjonsfrekvensen er en teknisk egenskap. Den betyr ikke at systemet oppdager sprekker fem ganger tidligere eller mer nøyaktig.

Under demonstrasjonen ved INL monterte forskerne optiske fibre på utsiden av en modell av en atombrenselbeholder. De testet flere plasseringer og oppsett for å måle akustiske vibrasjoner.

Forskerne gjennomførte også såkalte blybruddtester, en standardmetode for å lage gjentakbare akustiske signaler som simulerer utslippene som kan oppstå ved materialskader.

«Through a series of pencil-lead-break tests, we showed that the technology could detect the sound and find the source,» sa Naeem.

Flere tester gjenstår

Teamet vurderte også metoder for å feste sensorene til lagringsbeholdere. Målet er å utvikle installasjoner som kan bli sittende i flere år under forhold med høy temperatur og høy stråling.

Testene viste imidlertid ikke at systemet pålitelig kan identifisere faktisk korrosjon eller sprekker i atombrenselbeholdere som er i drift. Det gjenstår også å dokumentere hvordan systemet fungerer over lang tid under forholdene som gjelder ved lagring av atombrensel.

Prosjektet omfatter forskere fra Swanson School of Engineering ved University of Pittsburgh og Sensible Photonics, som ble grunnlagt av blant andre Pitt-professor Paul Ohodnicki. Forskerne har også samarbeidet med fagmiljøer ved INL, Oak Ridge National Laboratory og Pacific Northwest National Laboratory.

Teamet søker mer finansiering for å undersøke sensorens holdbarhet og stabilitet, og for å bringe teknologien nærmere mulig kommersiell bruk ved anlegg for lagring av atombrensel.