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May 18, 2023

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

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Era solo un pedazo de basura guardado en la parte trasera de un laboratorio en las instalaciones del Reactor Nuclear del MIT, listo para ser eliminado. Pero se convirtió en la clave para demostrar una forma más integral de detectar daños estructurales a nivel atómico en los materiales, un enfoque que ayudará al desarrollo de nuevos materiales y podría potencialmente respaldar el funcionamiento en curso de plantas de energía nuclear libres de emisiones de carbono, que ayudaría a aliviar el cambio climático global.

Una pequeña tuerca de titanio que se había retirado del interior del reactor era justo el tipo de material necesario para demostrar que esta nueva técnica, desarrollada en el MIT y en otras instituciones, proporciona una forma de investigar los defectos creados en el interior de los materiales, incluidos aquellos que han estado expuestos. a la radiación, con una sensibilidad cinco veces mayor que los métodos existentes.

El nuevo enfoque reveló que gran parte del daño que tiene lugar dentro de los reactores es a escala atómica y, como resultado, es difícil de detectar utilizando los métodos existentes. La técnica proporciona una manera de medir directamente este daño a través de la forma en que cambia con la temperatura. Y podría usarse para medir muestras de la flota de reactores nucleares actualmente en funcionamiento, lo que potencialmente permitiría la operación segura continua de las plantas mucho más allá de su vida útil actualmente autorizada.

Los hallazgos se informan hoy en la revista Science Advances en un artículo del especialista en investigación del MIT y recién graduado Charles Hirst PhD '22; los profesores del MIT Michael Short, Scott Kemp y Ju Li; y otros cinco en la Universidad de Helsinki, el Laboratorio Nacional de Idaho y la Universidad de California en Irvine.

En lugar de observar directamente la estructura física de un material en cuestión, el nuevo enfoque analiza la cantidad de energía almacenada dentro de esa estructura. Cualquier alteración de la estructura ordenada de los átomos dentro del material, como la causada por la exposición a la radiación o por tensiones mecánicas, en realidad imparte un exceso de energía al material. Al observar y cuantificar esa diferencia de energía, es posible calcular la cantidad total de daño dentro del material, incluso si ese daño se presenta en forma de defectos a escala atómica que son demasiado pequeños para poder visualizarlos con microscopios u otros métodos de detección.

El principio de este método se ha elaborado detalladamente mediante cálculos y simulaciones. Pero fueron las pruebas reales de esa tuerca de titanio del reactor nuclear del MIT las que proporcionaron la prueba y, por lo tanto, abrieron la puerta a una nueva forma de medir el daño en los materiales.

El método que utilizaron se llama calorimetría diferencial de barrido. Como explica Hirst, esto es similar en principio a los experimentos de calorimetría que muchos estudiantes llevan a cabo en las clases de química de la escuela secundaria, donde miden cuánta energía se necesita para elevar un grado la temperatura de un gramo de agua. El sistema que utilizaron los investigadores fue “básicamente exactamente el mismo: medir cambios energéticos. … Me gusta llamarlo simplemente un horno elegante con un termopar en su interior”.

La parte de escaneo tiene que ver con ir subiendo poco a poco la temperatura y ver cómo responde la muestra, y la parte diferencial se refiere a que se miden dos cámaras idénticas a la vez, una vacía y otra que contiene la muestra que se está estudiando. . La diferencia entre los dos revela detalles de la energía de la muestra, explica Hirst.

"Elevamos la temperatura desde la temperatura ambiente hasta 600 grados centígrados, a un ritmo constante de 50 grados por minuto", dice. En comparación con el recipiente vacío, “su material naturalmente se quedará atrás porque necesita energía para calentarlo. Pero si hay cambios en la energía dentro del material, eso cambiará la temperatura. En nuestro caso, hubo una liberación de energía cuando los defectos se recombinan, y luego obtendrá un poco de ventaja en el horno... y así es como estamos midiendo la energía en nuestra muestra”.

Hirst, que llevó a cabo el trabajo durante cinco años como proyecto de tesis doctoral, descubrió que, contrariamente a lo que se creía, el material irradiado demostró que existen dos mecanismos diferentes implicados en la relajación de los defectos del titanio a las temperaturas estudiadas. , revelado por dos picos separados en calorimetría. "En lugar de que ocurriera un proceso, vimos claramente dos, y cada uno de ellos corresponde a una reacción diferente que ocurre en el material", dice.

También descubrieron que las explicaciones de los libros de texto sobre cómo se comporta el daño por radiación con la temperatura no eran precisas, porque las pruebas anteriores se habían llevado a cabo en su mayoría a temperaturas extremadamente bajas y luego se extrapolaron a las temperaturas más altas de las operaciones de reactores de la vida real. "La gente no necesariamente era consciente de que estaban extrapolando, aunque lo estaban completamente", dice Hirst.

"El hecho es que nuestra base de conocimiento común sobre cómo evoluciona el daño por radiación se basa en la radiación de electrones a temperaturas extremadamente bajas", añade Short. “Simplemente se convirtió en el modelo 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 una condición muy específica, diseñada para dilucidar la ciencia, pero que generalmente no es aplicable a las condiciones en las que realmente queremos usar estos materiales”.

Ahora, el nuevo método se puede aplicar "a materiales extraídos de reactores existentes, para aprender más sobre cómo se degradan con la operación", dice Hirst.

“Lo más importante que el mundo puede hacer para obtener energía barata y libre de carbono es mantener los reactores actuales en la red. Ya están pagados y están funcionando”, añade Short. Pero para que eso sea posible, “la única manera de mantenerlos en la red es tener más certeza de que seguirán funcionando bien”. Y ahí es donde entra en juego esta nueva forma de evaluar los daños.

Si bien la mayoría de las centrales nucleares tienen licencia para operar entre 40 y 60 años, "ahora estamos hablando de operar esos mismos activos durante 100 años, y eso depende casi por completo de que los materiales puedan resistir los accidentes más severos". Dice Short. Con este nuevo método, “podemos inspeccionarlos y sacarlos antes de que suceda algo inesperado”.

En la práctica, los operadores de la planta podrían extraer una pequeña muestra de material de áreas críticas del reactor y analizarla para obtener una imagen más completa del estado general del reactor. Mantener los reactores existentes en funcionamiento es “lo más importante que podemos hacer para mantener alta la proporción de energía libre de carbono”, subraya Short. "Esta es una forma en que creemos que podemos hacerlo".

Sergei Dudarev, miembro de la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido que no participó en este trabajo, dice que esto "probablemente tendrá un impacto, ya que confirma, de una manera agradable y sistemática, respaldada tanto por experimentos como por simulaciones, la inesperadamente significativa "El papel que desempeñan los pequeños defectos invisibles en la evolución microestructural de los materiales expuestos a la irradiación".

Según los investigadores, el proceso no se limita sólo al estudio de los metales ni a los daños causados ​​por la radiación. En principio, el método podría usarse para medir otros tipos de defectos en materiales, como los causados ​​por tensiones u ondas de choque, y también podría aplicarse a materiales como cerámica o semiconductores.

De hecho, dice Short, los metales son los materiales más difíciles de medir con este método, y desde el principio otros investigadores seguían preguntando por qué este equipo se centraba en el daño a los metales. Esto se debió en parte a que los componentes del reactor tienden a estar hechos de metal y también a que "es lo más difícil, así que si solucionamos este problema, ¡tenemos una herramienta para resolverlos todos!".

Medir defectos en otros tipos de materiales puede ser hasta 10.000 veces más fácil que en metales, afirma. "Si podemos hacer esto con metales, podemos hacerlo extremadamente aplicable en todas partes". Y todo ello fue posible gracias a un pequeño trozo de basura que estaba en la parte trasera de un laboratorio.

El equipo de investigación incluyó a Fredric 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 de la Universidad de California en Irvine. El trabajo contó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., una subvención de investigación del Laboratorio Nacional de Idaho y una subvención del programa de Investigación y Formación de Euratom.

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