Los defectos materiales causados por daños por radiación se pueden caracterizar midiendo la energía que liberan los defectos cuando se calientan. Esa es la conclusión de investigadores en los EE. UU. y Finlandia, quienes dicen que su nuevo enfoque podría conducir a mejores técnicas para cuantificar el rendimiento disminuido de los materiales irradiados, algo que podría tener implicaciones importantes para la operación de las centrales nucleares envejecidas.
Los materiales irradiados, como los que se utilizan en los reactores nucleares, se dañan cuando la absorción de neutrones y otras partículas de alta energía crea defectos a escala atómica. Este daño puede, con el tiempo, degradar el rendimiento general del material. Sin embargo, caracterizar el daño microscópico puede ser muy difícil porque incluso las técnicas más avanzadas, como la microscopía electrónica de transmisión (TEM), no pueden medir con precisión el tipo, el tamaño y la densidad de los defectos en un material.
Liberación de energía
En lugar de probar los defectos directamente, Charles Hirst del Instituto Tecnológico de Massachusetts y sus colegas observaron cómo los materiales irradiados almacenan energía en sus defectos a escala atómica y luego liberan esta energía cuando se calientan. La clave de su técnica es que esta liberación ocurre una vez que se alcanza cierta barrera de energía, una barrera que es específica de la naturaleza del defecto.
Para observar este proceso, utilizaron una técnica llamada calorimetría diferencial de barrido (DSC), que mide la diferencia entre la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una muestra y un material de referencia con una capacidad calorífica bien definida.
En este caso, la muestra era una pequeña tuerca de titanio, irradiada durante 73 días, que simulaba la radiación que experimentaría en un reactor nuclear real. Como referencia, el equipo usó una nuez idéntica que no había sido irradiada. En su experimento, calentaron gradualmente la muestra y la referencia desde temperatura ambiente hasta 600 °C, a una velocidad de 50 °C por minuto.
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El estudio reveló que entre 300 y 600 °C, el exceso de energía se liberaba de la nuez irradiada en dos etapas distintas, lo que indica que los defectos se relajan a estas temperaturas a través de dos mecanismos diferentes. Luego, el equipo de Hirst usó simulaciones de dinámica molecular para comprender cada uno de estos mecanismos.
Con TEM, estos defectos solo podían estudiarse a temperaturas mucho más bajas, por lo que el equipo solo podía extrapolar el comportamiento de los defectos en el rango de temperatura más alto. Hasta ahora, esto les ha permitido identificar un proceso de liberación de energía. Basándose en este resultado, Hirst y sus colegas predicen que DSC tiene el potencial de descubrir muchos mecanismos nuevos para la liberación de energía en otros materiales, revelando defectos que hasta ahora han permanecido ocultos para otras técnicas.
Su enfoque podría ser particularmente útil para inspeccionar reactores nucleares. Al extraer pequeñas muestras de los reactores, los operadores podrían usar DSC para cuantificar mejor el grado de degradación de un componente debido a la exposición a la radiación. Esto podría ayudar a los operadores de reactores a tomar decisiones más informadas sobre si los componentes son seguros para continuar operando. A su vez, esto podría extender la vida útil de las plantas nucleares existentes, incluso aquellas que se considera que están llegando al final de su vida útil, durante las próximas décadas.
La investigación se describe en Science Advances.
