Τα ελαττώματα υλικού που προκαλούνται από ζημιά από την ακτινοβολία μπορούν να χαρακτηριστούν με τη μέτρηση της ενέργειας που απελευθερώνουν τα ελαττώματα όταν θερμαίνονται. Αυτό είναι το συμπέρασμα ερευνητών από τις ΗΠΑ και τη Φινλανδία, οι οποίοι λένε ότι η νέα τους προσέγγιση θα μπορούσε να οδηγήσει σε καλύτερες τεχνικές για τον ποσοτικό προσδιορισμό της μειωμένης απόδοσης των ακτινοβολημένων υλικών – κάτι που θα μπορούσε να έχει σημαντικές επιπτώσεις στη λειτουργία των γηρασμένων πυρηνικών σταθμών.
Τα ακτινοβολημένα υλικά, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται στους πυρηνικούς αντιδραστήρες, καταστρέφονται όταν η απορρόφηση νετρονίων και άλλων σωματιδίων υψηλής ενέργειας δημιουργεί ελαττώματα ατομικής κλίμακας. Αυτή η ζημιά μπορεί, με τον καιρό, να υποβαθμίσει τη συνολική απόδοση του υλικού. Ωστόσο, ο χαρακτηρισμός της μικροσκοπικής βλάβης μπορεί να είναι πολύ δύσκολος επειδή ακόμη και οι τεχνικές αιχμής όπως το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης (TEM) δεν μπορούν να μετρήσουν με ακρίβεια τον τύπο, το μέγεθος και την πυκνότητα των ελαττωμάτων σε ένα υλικό.
Απελευθέρωση ενέργειας
Αντί να διερευνά άμεσα ελαττώματα, ο Charles Hirst στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης και οι συνεργάτες του εξέτασαν πώς τα ακτινοβολημένα υλικά αποθηκεύουν ενέργεια στα ελαττώματα ατομικής κλίμακας τους και στη συνέχεια απελευθερώνουν αυτήν την ενέργεια όταν θερμαίνονται. Το κλειδί για την τεχνική τους είναι ότι αυτή η απελευθέρωση συμβαίνει μόλις επιτευχθεί ένα συγκεκριμένο ενεργειακό φράγμα - ένα φράγμα που είναι συγκεκριμένο για τη φύση του ελαττώματος.
Για να παρατηρήσουν αυτή τη διαδικασία, χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται θερμιδομετρία διαφορικής σάρωσης (DSC), η οποία μετρά τη διαφορά μεταξύ της ποσότητας θερμότητας που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας ενός δείγματος και ενός υλικού αναφοράς με καλά καθορισμένη θερμοχωρητικότητα.
Σε αυτή την περίπτωση, το δείγμα ήταν ένα μικρό καρύδι από τιτάνιο, ακτινοβολημένο για 73 ημέρες, το οποίο προσομοίωσε την ακτινοβολία που θα δεχόταν σε πραγματικό πυρηνικό αντιδραστήρα. Ως αναφορά, η ομάδα χρησιμοποίησε ένα πανομοιότυπο παξιμάδι που δεν είχε ακτινοβοληθεί. Στο πείραμά τους, θέρμαιναν σταδιακά το δείγμα και το σημείο αναφοράς από τη θερμοκρασία δωματίου στους 600 °C, με ρυθμό 50 °C ανά λεπτό.
Η επιστροφή της τεχνολογίας κενού ανοσοποιεί τα νανοηλεκτρονικά από την ακτινοβολία
Η μελέτη αποκάλυψε ότι μεταξύ 300-600 °C, η περίσσεια ενέργειας απελευθερώθηκε από το ακτινοβολημένο παξιμάδι σε δύο διακριτά στάδια, υποδεικνύοντας ότι τα ελαττώματα χαλαρώνουν σε αυτές τις θερμοκρασίες μέσω δύο διαφορετικών μηχανισμών. Στη συνέχεια, η ομάδα του Hirst χρησιμοποίησε προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής για να κατανοήσει κάθε έναν από αυτούς τους μηχανισμούς.
Με το TEM, αυτά τα ελαττώματα μπορούσαν να μελετηθούν μόνο σε πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες, επομένως η συμπεριφορά των ελαττωμάτων στο υψηλότερο εύρος θερμοκρασίας θα μπορούσε να προεκταθεί μόνο από την ομάδα. Μέχρι στιγμής, αυτό τους επέτρεψε να αναγνωρίσουν μία διαδικασία απελευθέρωσης ενέργειας. Με βάση αυτό το αποτέλεσμα, ο Hirst και οι συνεργάτες του προβλέπουν ότι το DSC έχει τη δυνατότητα να αποκαλύψει πολλούς νέους μηχανισμούς για την απελευθέρωση ενέργειας σε άλλα υλικά, αποκαλύπτοντας ελαττώματα που μέχρι στιγμής έχουν παραμείνει κρυφά σε άλλες τεχνικές.
Η προσέγγισή τους θα μπορούσε να είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για την επιθεώρηση πυρηνικών αντιδραστήρων. Εξάγοντας μικρά δείγματα από αντιδραστήρες, οι χειριστές θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν το DSC για να ποσοτικοποιήσουν καλύτερα την έκταση του τρόπου με τον οποίο ένα συστατικό έχει υποβαθμιστεί από την έκθεση στην ακτινοβολία. Αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει τους χειριστές των αντιδραστήρων να λαμβάνουν πιο ενημερωμένες αποφάσεις σχετικά με το εάν τα εξαρτήματα είναι ασφαλή να συνεχίσουν να λειτουργούν. Με τη σειρά του, αυτό θα μπορούσε να παρατείνει τη διάρκεια ζωής των υφιστάμενων πυρηνικών σταθμών –ακόμη και εκείνων που θεωρείται ότι φτάνουν στο τέλος της διάρκειας ζωής τους– για τις επόμενες δεκαετίες.
Η έρευνα περιγράφεται στο Προκαταβολές Επιστήμη.
