Det är oerhört viktigt att vi kan säkerställa en säker drift av kärnkraftverk. I ett kärnkraftverk fungerar svetsade plåtkonstruktioner som gastäta barriärer för att förhindra utsläpp av radioaktiva partiklar. En viktig fråga är hur man kan upptäcka korrosion i tätplåtarna i konstruktionerna. Tätplåtarna är ofta är ingjutna i tjocka betongväggar i reaktorinneslutningarna. De är därför svåra att inspektera och korrosion kan äventyra deras täthet långt innan synliga skador uppstår. Det är viktigt att korrosion upptäcks tidigt eftersom det är avgörande för att planera förebyggande åtgärder.
Markus Nilssons avhandling utvärderar icke-linjära ultraljudsmetoder för att upptäcka och bedöma korrosion i ingjutna tätplåtar. Ultraljudsprovning använder ljudvågor över det mänskliga hörbara området för att avbilda inre strukturer. I betong dämpas dock högfrekventa ljudvågor effektivt, vilket kräver användning av förhållandevis lågfrekvent ultraljud. Detta begränsar upplösningen och gör det svårare att upptäcka små defekter.
Markus Nilsson har i sin forskning kommit fram till att man kan använda sig av icke-linjärt ultraljud för att hitta defekter i ingjutna tätplåtar:
– Med icke-linjärt ultraljud så tittar man på hur signalen förändras i frekvens och innehåll. Det icke-linjära ultraljudet är extremt känsligt för mycket små defekter. Det innebär att man kan använda relativt lågfrekvent ultraljud för att tränga djupt in i en struktur ändå upptäcka små defekter.
Den största utmaningen är att betong naturligt innehåller många defekter. Det finns mikrosprickor från när betongen torkar, det finns små luftbubblor och en heterogen sammansättning av olika material, förklarar Markus Nilsson:
– Det gör analysen mer komplex, men resultaten visar att man kan lokalisera och utvärdera korrosion i ingjutna plåtar med hjälp av det icke-linjära ultraljudet. Dessutom visar metoderna potential för att upptäcka ingjutna främmande föremål, som trä, och separationer mellan plåten och betongen.
Så här fungerar det: Ultraljud sänds från betongens yta och rör sig genom betongen mot en ingjuten plåt. I de sektioner där plåten är fri från korrosion kommer signalen endast att genomgå dämpning och uppvisa svag icke-linjäritet. Vid korroderade områden ökar både dämpningen och den icke-linjära responsen kraftigt på grund av sprickor i rost och betong. Detta syns i vågformen, som förändras genom alstring av nya spektrala komponenter. Icke-linjära effekter analyseras genom att mäta styrkan hos de nya frekvenserna i förhållande till grundfrekvensen. Genom att kombinera information om både dämpning och icke-linjär respons kan korrosionsskador klassificeras mer precist.
– Alltså, jag ska vara helt ärlig så tänkte jag, när jag påbörjade projektet, att det här är fullständigt omöjligt, det är alldeles för svårt. Men det gick ju väldigt bra!
Finns det någon som i nuläget använder den här metoden för att kontrollera kärnkraftverken?
– Det finns ett företag i Sverige som sysslar med den här typen av provning, men främst på ståldetaljer, inte betongstrukturer. Det finns ingen som gör sådan här provning på kärnkraftverk idag, men med en livslängd på upp till 80 år är det viktigare än någonsin att kunna utvärdera betongstrukturernas tillstånd. Icke-linjärt ultraljud kan komma att bli ett värdefullt komplement till konventionella provningstekniker. För att få en mer heltäckande bild av strukturens tillstånd är det avgörande att kombinera flera metoder som bygger på olika fysikaliska fenomen.
– Det blir dessutom allt viktigare att övervaka kontinuerligt för att se förändringar över tid och kunna korrigera för säsongsvariationer. Det är också bra att ha fokus på vilka metoder som är viktiga för att utvärdera kärnkraftverkens strukturer, även när man bygger nytt. Driftsäkerhet är a och o!
För att utvärdera metoden ytterligare behövs flera experiment.
– Vi behöver göra flera experiment med mer realistiska provkroppar för att fullt ut utvärdera metodernas detektionsförmåga och tillämpbarhet. Dessa experiment bör beakta de utmaningar som ställs av naturliga mikrosprickor i betong, grova ballastmaterial, rikhaltig armering och stora dimensioner typiska för faktiska kärnkraftverk.
Markus Nilsson har fått finansiering för en del två av det här projektet. Det finns en ambition att skapa en mockup som ska efterlikna en liten del av en reaktorbyggnad.
– Jag har ju fått den fantastiska möjligheten att nu få fortsätta som postdoktor här på avdelningen för teknisk geologi på Lunds tekniska högskola! Det ska bli jätteintressant att jobba vidare med den här utmaningen. Kärnkraften spelar en stor roll för energiomställningen och det känns väldigt bra att vara med och utveckla metoder som gör den mer driftsäker.