Durch Strahlungsschäden verursachte Materialdefekte können charakterisiert werden, indem die Energie gemessen wird, die die Defekte bei Erwärmung freisetzen. Das ist die Schlussfolgerung von Forschern in den USA und Finnland, die sagen, dass ihr neuer Ansatz zu besseren Techniken zur Quantifizierung der verminderten Leistung bestrahlter Materialien führen könnte – etwas, das wichtige Auswirkungen auf den Betrieb alternder Kernkraftwerke haben könnte.
Bestrahlte Materialien, wie sie in Kernreaktoren verwendet werden, werden beschädigt, wenn die Absorption von Neutronen und anderen hochenergetischen Teilchen Defekte im atomaren Maßstab erzeugt. Diese Beschädigung kann mit der Zeit die Gesamtleistung des Materials beeinträchtigen. Die Charakterisierung mikroskopischer Schäden kann jedoch sehr schwierig sein, da selbst hochmoderne Techniken wie die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) die Art, Größe und Dichte von Defekten in einem Material nicht genau messen können.
Energiefreisetzung
Anstatt Defekte direkt zu untersuchen, untersuchten Charles Hirst vom Massachusetts Institute of Technology und Kollegen, wie bestrahlte Materialien Energie in ihren Defekten im atomaren Maßstab speichern und diese Energie dann freisetzen, wenn sie erhitzt werden. Der Schlüssel zu ihrer Technik besteht darin, dass diese Freisetzung erfolgt, sobald eine bestimmte Energiebarriere erreicht ist – eine Barriere, die für die Art des Defekts spezifisch ist.
Um diesen Prozess zu beobachten, verwendeten sie eine Technik namens Differential Scanning Calorimetry (DSC), die den Unterschied zwischen der Wärmemenge misst, die erforderlich ist, um die Temperatur einer Probe zu erhöhen, und einem Referenzmaterial mit einer genau definierten Wärmekapazität.
In diesem Fall war die Probe eine kleine Titannuss, die 73 Tage lang bestrahlt wurde, was die Strahlung simulierte, die sie in einem echten Kernreaktor erfahren würde. Als Referenz verwendete das Team eine identische Mutter, die nicht bestrahlt worden war. In ihrem Experiment erhitzten sie die Probe und die Referenz allmählich von Raumtemperatur auf 600 °C mit einer Geschwindigkeit von 50 °C pro Minute.
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Die Studie ergab, dass zwischen 300 und 600 °C überschüssige Energie von der bestrahlten Nuss in zwei verschiedenen Phasen freigesetzt wurde, was darauf hindeutet, dass sich Defekte bei diesen Temperaturen durch zwei verschiedene Mechanismen entspannen. Hirsts Team verwendete dann Molekulardynamik-Simulationen, um jeden dieser Mechanismen zu verstehen.
Mit TEM konnten diese Defekte nur bei weit niedrigeren Temperaturen untersucht werden, daher konnte das Team das Verhalten von Defekten im höheren Temperaturbereich nur extrapolieren. Bisher konnten sie damit einen Energiefreisetzungsprozess identifizieren. Basierend auf diesem Ergebnis sagen Hirst und Kollegen voraus, dass DSC das Potenzial hat, viele neue Mechanismen für die Energiefreisetzung in anderen Materialien aufzudecken und Defekte aufzudecken, die anderen Techniken bisher verborgen geblieben sind.
Ihr Ansatz könnte besonders nützlich für die Inspektion von Kernreaktoren sein. Durch die Entnahme kleiner Proben aus Reaktoren könnten Betreiber DSC verwenden, um das Ausmaß des Abbaus einer Komponente durch Strahlenbelastung besser zu quantifizieren. Dies könnte den Reaktorbetreibern helfen, fundiertere Entscheidungen darüber zu treffen, ob die Komponenten sicher weiter betrieben werden können. Dies wiederum könnte die Lebensdauer bestehender Kernkraftwerke – selbst derjenigen, die das Ende ihrer Lebensdauer erreichen – um Jahrzehnte verlängern.
Die Forschung ist beschrieben in Wissenschaft Fortschritte.
