En standardisering av beräkningarna av de heliumbiprodukter som genereras i material för avancerade fissions- och fusionsenergisystem kan öka reaktorsäkerheten och livslängden, enligt en studie ledd av University of Michigan Engineering i samarbete med Oak Ridge National Laboratory och dess förvaltningsentreprenör UT-Battelle.
Genom en serie simuleringar fann forskarna att modellantaganden och viktiga legeringselement – såsom kol, kväve och nickel – har en betydande inverkan på prognoserna för heliumgenerering. Om detta inte åtgärdas kan överskott av helium i verkliga reaktorer leda till snabbare komponentfel när materialen sväller och blir spröda.
”Om de används kommer våra rapporteringsmetoder att förbättra den experimentella och modellmässiga noggrannheten i de databaser över kärnmaterial som skapas både nationellt och internationellt, vilket driver på en snabb utbyggnad av avancerad kärnkraft”, säger Kevin Field, professor i kärnteknik och strålningsvetenskap vid U-M och korresponderande författare till studien som publicerats i Journal of Physics: Energy.
Beräkning av heliumgenerering
Både fissions- och fusionsreaktorer producerar helium genom en process som kallas neutrontransmutation. Reaktionerna avger högenergineutroner som kolliderar med det omgivande metallhöljet. Metallatomerna fångar upp neutronen och omvandlar den till ett nytt grundämne, varvid heliumgas frigörs som en biprodukt.
Heliumgenereringshastigheter uttrycks som atomdelar per miljon per förskjutning per atom, eller He/dpa. I huvudsak uppskattar detta mått hur mycket helium som skulle produceras per atom som slås ur sin plats i metallens kristallgitter av strålning under en viss tidsperiod.
Även om en felaktig förutsägelse av heliumgenereringshastigheten kan innebära frekventa reparationer på en dyr reaktor, har tidigare studier behandlat den som en fast materialkonstant och bortsett från möjliga osäkerheter.
”Vi utvecklade denna studie genom att se över gamla beräkningar av heliumgenereringshastigheten i vissa material av intresse, vilket ledde oss in i en kaninhåla av hur många osäkerheter som fanns och måste beaktas för att kunna göra dessa beräkningar korrekt”, säger Alexander Birmingham, nyutexaminerad från U-M med fysik som huvudämne och huvudförfattare till studien.
Heliumgenereringshastigheter som en funktion av skada (dpa) med hjälp av ENDF/B-VIII.0-biblioteket för neutronsektionsareor och FISPACT-II 5.0-simuleringar. Källa: Journal of Physics: Energy (2026). DOI: 10.1088/2515-7655/ae4ff2
Ett systematiskt test av simuleringar
Forskargruppen utvecklade ett specialanpassat Python-baserat program kallat F-SCATTER. Programmet automatiserar tusentals simuleringar med hjälp av FISPACT-II, en multifysikprogramvara för avancerad kärnkraftssimulering.
Varje simulering varierar variablerna – legeringssammansättning (inom godkända tillverkningsstandarder), neutronenergier, beräkningsmetoder och kärndatabibliotek – inom fastställda gränser för att bestämma deras inflytande på heliumprognoserna.
Beräkningsmetoderna avser tre olika sätt att extrahera heliumgenerering från FISPACT-II-data:
- Hastighetsmetoden: Beräkna förhållandet mellan helium- och skadehastigheter vid varje tidssteg
- Tidshastighetsmetoden: Summera alla heliumhastigheter och skadehastigheter över tidsperioden och beräkna sedan förhållandet
- Totalsummetoden: Använd det heliumvärde som programvaran tillhandahåller vid varje tidssteg dividerat med de summerade skadehastigheterna
Prognoserna för heliumgenerering varierar kraftigt
När simuleringarna testades på fyra avancerade metalllegeringar visade det sig att heliumgenereringshastigheterna är starkt beroende av varje variabel som testades. Medan man förväntade sig att neutronenergierna skulle påverka resultaten, genererade valet av kärndatabibliotek skillnader i heliumgenereringsprognoserna som ofta var så höga som 231 %, och ibland så extrema som 859 %.
Legeringens sammansättning var en annan viktig källa till osäkerhet, med kraftigt varierande prognoser för heliumgenerering och fel på upp till 98 % i ett fall. Ofta är det endast ett enda element i legeringen, såsom kväve eller nickel, som påverkar de prognostiserade värdena, eftersom dessa släpper ut mer helium i reaktioner med högre sannolikhet. Denna upptäckt har konsekvenser för branschen, särskilt när det gäller var och hur man anskaffar legeringar för att bygga fusions- och fissionsenergisystem, eftersom olika metallproducenter har olika kontroll över sammansättningen.
”Vi blev verkligen förvånade över hur mycket kärndatabasen och beräkningsmetoden påverkade det slutliga svaret. Det är så betydande att det är som att glömma att tillsätta salt i en salt maträtt, vilket resulterar i en söt sluträtt”, sade Field.
Av de beräkningsmetoder som undersöktes var tidshastighetsmetoden den mest tillförlitliga, med en konsekvent beräkning över olika neutronenergier. Totalsmetoden tenderade att underskatta helium, medan hastighetsmetoden missade förändringar i transmutationshastigheten över tid.
En standardiserad metod för prognoser av heliumgenerering
Forskarna föreslår en standardiserad metod för att bestämma och rapportera gasformiga transmutationshastigheter för nuvarande och framtida kärnkraft.
Bästa praxis inkluderar att rapportera det beräknade intervallet för förväntad heliumproduktion snarare än ett enda punktvärde, att specificera legeringens unika värmebeteckning och spårämnen samt att dokumentera både reaktorns råa och digitalt uppskalade neutronspektra. Tillsammans tar dessa standarder hänsyn till materialföroreningar och modelleringsosäkerheter som följer med data från den verkliga världen.
”Heliumproduktion har en stark inverkan på högtemperaturförsprödning och dimensionsstabilitet för konstruktionsmaterial i både fusions- och fissionssystem. När industrin går vidare med att utvärdera och implementera sina tekniker behövs en standardiserad analysmetod som tar hänsyn till osäkerhet för att kunna göra jämförelser mellan olika materialsystem och miljöer”, säger Stephen Taller, Alvin M. Weinberg Fellow och forskare vid Oak Ridge National Laboratory.
Mer information
Alexander J Birmingham et al, On the uncertainties in helium generation predictions for fission and fusion alloys, Journal of Physics: Energy (2026). DOI: 10.1088/2515-7655/ae4ff2
