Kiirguskahjustusest põhjustatud materjalidefekte saab iseloomustada energia mõõtmisega, mida defektid kuumutamisel eraldavad. See on USA ja Soome teadlaste järeldus, kelle sõnul võib nende uus lähenemisviis viia paremate meetoditeni kiiritatud materjalide vähenenud jõudluse kvantifitseerimiseks – see võib avaldada olulist mõju vananevate tuumaelektrijaamade tööle.
Kiiritatud materjalid, näiteks tuumareaktorites kasutatavad materjalid, saavad kahjustatud, kui neutronite ja muude suure energiaga osakeste neeldumine tekitab aatomiskaalas defekte. See kahjustus võib aja jooksul halvendada materjali üldist jõudlust. Mikroskoopiliste kahjustuste iseloomustamine võib aga olla väga keeruline, sest isegi tipptasemel tehnikad nagu transmissioonelektronmikroskoopia (TEM) ei suuda täpselt mõõta kogu materjalis esinevate defektide tüüpi, suurust ja tihedust.
Energia vabastamine
Selle asemel, et defekte otse uurida, uuris Charles Hirst Massachusettsi Tehnoloogiainstituudist ja tema kolleegid, kuidas kiiritatud materjalid salvestavad energiat oma aatommastaabis defektides ja vabastavad seejärel selle energia kuumutamisel. Nende tehnika võti seisneb selles, et vabanemine toimub siis, kui on saavutatud teatud energiabarjäär – barjäär, mis on spetsiifiline defekti olemusele.
Selle protsessi jälgimiseks kasutasid nad tehnikat, mida nimetatakse diferentsiaalseks skaneerivaks kalorimeetriaks (DSC), mis mõõdab erinevust proovi temperatuuri tõstmiseks vajaliku soojushulga ja täpselt määratletud soojusmahutavusega võrdlusmaterjali vahel.
Sel juhul oli prooviks väike titaanmutter, mida kiiritati 73 päeva ja mis simuleeris kiirgust, mida see kogeks reaalses tuumareaktoris. Võrdlusena kasutas meeskond identset mutrit, mida ei olnud kiiritatud. Oma katses kuumutasid nad proovi ja võrdlusmaterjali järk-järgult toatemperatuurilt 600 °C-ni kiirusega 50 °C minutis.
Vaakumtehnoloogia tagasitulek immuniseerib nanoelektroonika kiirguse eest
Uuring näitas, et vahemikus 300–600 °C vabanes kiiritatud pähklist üleliigne energia kahes erinevas etapis, mis näitab, et defektid lõdvestuvad nendel temperatuuridel kahe erineva mehhanismi kaudu. Seejärel kasutas Hirsti meeskond molekulaarse dünaamika simulatsioone, et mõista kõiki neid mehhanisme.
TEM-iga sai neid defekte uurida ainult palju madalamatel temperatuuridel, seetõttu sai töörühm ekstrapoleerida defektide käitumist kõrgemas temperatuurivahemikus. Siiani on see võimaldanud neil tuvastada ühe energia vabanemise protsessi. Selle tulemuse põhjal ennustavad Hirst ja tema kolleegid, et DSC-l on potentsiaal avastada palju uusi mehhanisme energia vabanemiseks teistes materjalides, paljastades defektid, mis on seni jäänud teistele tehnikatele varjatuks.
Nende lähenemisviis võib olla eriti kasulik tuumareaktorite kontrollimisel. Reaktoridest väikeste proovide eraldamisel saavad operaatorid kasutada DSC-d, et paremini kvantifitseerida, mil määral on komponent kiirgusega kokkupuutest tingitud. See võib aidata reaktori käitajatel teha teadlikumaid otsuseid selle kohta, kas komponentide töö jätkamine on ohutu. See omakorda võib pikendada olemasolevate tuumajaamade eluiga – isegi nende puhul, mida peetakse oma eluea lõppu – järgmisteks aastakümneteks.
Uuringut kirjeldatakse artiklis Teadus ettemaksed.
