Una mejor manera de estimar el daño por radiación en los materiales

Era solo un pedazo de chatarra que yacía en la parte trasera de un laboratorio en las instalaciones del reactor nuclear del MIT, listo para su eliminación. Pero se ha vuelto clave para demostrar un método más integral para detectar daños estructurales a nivel atómico en materiales, un enfoque que ayudaría al desarrollo de nuevos materiales y podría respaldar la operación continua de plantas de energía nuclear neutrales en carbono, lo que ayudaría mitigar el cambio climático Global.

Pequeña tuerca de titanio extraída del interior. reactor Eran justo el tipo de material necesario para demostrar que esta nueva tecnología, desarrollada en el MIT y otras instituciones, proporciona una forma de detectar defectos creados en los materiales, incluidos aquellos que han estado expuestos a la radiación, con una sensibilidad cinco veces mayor que los métodos actuales. .

El nuevo enfoque mostró que gran parte del daño que ocurre dentro de los reactores es a nivel atómico y, como resultado, es difícil de detectar con los métodos actuales. Esta técnica proporciona una forma de medir directamente este daño por la forma en que cambia con la temperatura. Se puede utilizar para medir muestras de la flota de reactores nucleares actualmente en funcionamiento, lo que podría permitir el funcionamiento seguro continuo de las plantas más allá de su vida útil actualmente autorizada.

Los resultados fueron publicados en la revista progreso de la ciencia En un artículo preparado por el especialista en investigación del MIT y recién graduado Charles Hurst Ph.D. ’22; los profesores del MIT Michael Short, Scott Kemp y Joe Lee; y otros cinco en la Universidad de Helsinki, Laboratorio Nacional de Idaho y la Universidad de California, Irvine.

En lugar de observar directamente la estructura física del material en cuestión, el nuevo enfoque analiza la cantidad de energía almacenada dentro de esa estructura. Cualquier defecto en la estructura ordenada de los átomos dentro de una sustancia, como el causado por expuesto a la radiación O por estrés mecánico, en realidad impartir exceso de energía sobre el artículo Al observar y medir esta diferencia de energía, es posible calcular la cantidad total de daño dentro del material, incluso si ese daño en forma de defectos a escala atómica es demasiado pequeño para ser fotografiado usando microscopios u otros métodos de detección.

El principio detrás de este método ha sido elaborado en detalle a través de cálculos y simulaciones. Pero fueron las pruebas reales en una sola tuerca de titanio del MIT Reactor nuclear Eso proporcionó la evidencia y, por lo tanto, abrió la puerta a una nueva forma de medir el daño en los materiales.

El método que utilizaron se llama calorimetría diferencial. Como explica Hirst, esto es similar en principio a los experimentos de calorimetría que muchos estudiantes realizan en las clases de química de la escuela secundaria, donde miden cuánta energía se necesita para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado. El sistema que usaron los investigadores era «esencialmente exactamente lo mismo, midiendo cambios activos… Me gusta llamarlo simplemente un horno elegante con un termopar adentro».

La parte de escaneo se trata de aumentar gradualmente la temperatura un poco a la vez y ver cómo responde la muestra, y la parte diferencial se refiere al hecho de que se están midiendo dos cámaras idénticas simultáneamente, una vacía y la otra que contiene la muestra en estudio. Hirst explica que la diferencia entre los dos revela los detalles de la energía de la muestra.

“Elevamos la temperatura de la temperatura ambiente a 600 grados centígrados, a un ritmo constante de 50 grados por minuto”, dice. En comparación con un recipiente vacío, «Su material naturalmente se retrasará porque necesita energía para calentar el material. Pero si hay cambios de energía dentro del material, cambiará la temperatura. En nuestro caso, hubo una liberación de energía cuando las impurezas combine, y luego obtiene un poco De una cuchara en el horno… y así es como medimos la energía en nuestra muestra”.

Hirst, que realizó el trabajo durante cinco años como proyecto de tesis doctoral, descubrió que, contrariamente a lo que se pensaba, el material radiactivo mostró que dos mecanismos diferentes estaban involucrados en la mitigación de los defectos del titanio a las temperaturas estudiadas, revelados por dos picos separados en calorimetría. «En lugar de que suceda un proceso, vimos claramente dos procesos, y cada uno corresponde a una reacción diferente que tiene lugar en el material», dice.

También encontraron que las explicaciones de los libros de texto sobre cómo se comporta el daño por radiación con la temperatura eran inexactas, porque las pruebas anteriores se realizaron principalmente a temperaturas muy bajas y luego se extrapolaron con las temperaturas más altas a las operaciones del reactor del mundo real. «La gente no era necesariamente consciente de que estaba extrapolando, aunque lo fuera exactamente», dice Hurst.

«La verdad es que la base de nuestro conocimiento común de cómo evoluciona el daño por radiación se basa en la radiación electrónica de muy baja temperatura», agrega Short. «Simplemente se convirtió en el paradigma aceptado, y eso es lo que se enseña en todos los libros. Nos tomó un tiempo darnos cuenta de que nuestra comprensión general se basaba en un caso muy específico, diseñado para ilustrar la ciencia, pero que no se aplica de manera general a las circunstancias que realmente quieren». utilizar estos materiales».

Ahora, el nuevo método se puede aplicar «a los materiales tomados de los reactores existentes, para aprender más sobre cómo se deterioran durante la operación», dice Hirst.

«Lo más importante que puede hacer el mundo para obtener energía barata y libre de carbono es mantener los reactores existentes en la red. Ya han sido pagados, están funcionando», agrega Short. Pero para que eso sea posible, “la única forma en que podemos mantenerlos en la red es tener más certeza de que les seguirá yendo bien”. Aquí viene el papel de este nuevo método de evaluación de daños.

Si bien la mayoría de las plantas de energía nuclear tienen una licencia de operación de 40 a 60 años, «ahora estamos hablando de operar esos mismos activos durante 100 años, y eso depende casi por completo de la capacidad de los materiales para soportar los accidentes más severos», dice Kassir. . Con este nuevo método, “podemos escanearlo y sacarlo antes de que suceda algo inesperado”.

En la práctica, los operadores de la planta pueden extraer una pequeña muestra de material de las áreas críticas del reactor y analizarla para obtener una imagen más completa del estado del reactor en su conjunto. Mantener los reactores actuales en funcionamiento es «lo más importante que podemos hacer para mantener alta la relación de energía libre de carbono», y es estrés para abreviar. «Esta es una de las formas en que creemos que podemos hacerlo».

Los investigadores dicen que el proceso no se limita solo al estudio de los minerales, ni se limita al daño por radiación. En principio, el método se puede utilizar para medir otros tipos de defectos en los materiales, como los causados ​​por tensiones u ondas de choque, y también se puede aplicar a materiales como la cerámica o los semiconductores.

De hecho, dice Short, los metales son los materiales más difíciles de medir de esta manera, y desde el principio otros investigadores se preguntaron por qué este equipo se centró en el daño a los metales. Esto se debe en parte a que los componentes del reactor suelen estar hechos de metal y también a que «eso es lo más difícil, así que, si solucionamos este problema, ¡tenemos una herramienta para romperlos todos!».

Medición de defectos en otros tipos de Materiales Puede ser incluso 10.000 veces más fácil que el metal, dice. «Si podemos hacer esto con los metales, podemos hacer que funcione en todas partes». Y todo gracias a un pequeño trozo de basura que se encontraba en la parte de atrás del laboratorio.

El equipo de investigación incluyó a Fredrik Granberg y Kai Nordlund de la Universidad de Helsinki en Finlandia. Boopathy Kombaiah y Scott Middlemas en el Laboratorio Nacional de Idaho; y Penghui Cao en la Universidad de California, Irvine.