Säteilyvaurioiden aiheuttamia materiaalivirheitä voidaan luonnehtia mittaamalla energiaa, jota viat vapauttavat kuumennettaessa. Näin päättelevät yhdysvaltalaiset ja suomalaiset tutkijat, joiden mukaan heidän uusi lähestymistapansa voisi johtaa parempiin tekniikoihin säteilytettyjen materiaalien heikentyneen suorituskyvyn kvantifiointiin – jolla voi olla merkittäviä vaikutuksia ikääntyvien ydinvoimaloiden toimintaan.
Säteilytetyt materiaalit, kuten ydinreaktoreissa käytettävät, vaurioituvat, kun neutronien ja muiden korkeaenergisten hiukkasten absorptio aiheuttaa atomimittakaavaisia vikoja. Tämä vaurio voi ajan myötä heikentää materiaalin yleistä suorituskykyä. Mikroskooppisten vaurioiden karakterisointi voi kuitenkin olla erittäin vaikeaa, koska edes huipputekniikat, kuten transmissioelektronimikroskooppi (TEM), eivät pysty mittaamaan tarkasti materiaalissa olevien vikojen tyyppiä, kokoa ja tiheyttä.
Energian vapautuminen
Sen sijaan, että tutkittaisiin vikoja suoraan, Charles Hirst Massachusetts Institute of Technologysta ja kollegat tarkastelivat, kuinka säteilytetyt materiaalit varastoivat energiaa atomimittakaavassa oleviin virheisiinsä ja vapauttavat tämän energian kuumennettaessa. Niiden tekniikan avain on, että tämä vapautuminen tapahtuu, kun tietty energiaeste on saavutettu – este, joka on ominaista vian luonteelle.
Tämän prosessin tarkkailemiseksi he käyttivät tekniikkaa nimeltä differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria (DSC), joka mittaa eron näytteen lämpötilan nostamiseen tarvittavan lämpömäärän ja vertailumateriaalin välillä, jolla on hyvin määritelty lämpökapasiteetti.
Tässä tapauksessa näyte oli pieni titaanipähkinä, jota säteilytettiin 73 päivää, mikä simuloi säteilyä, jota se kokisi todellisessa ydinreaktorissa. Viitteenä ryhmä käytti identtistä mutteria, jota ei ollut säteilytetty. Kokeessaan he lämmittivät näytettä ja referenssiä vähitellen huoneenlämpötilasta 600 °C:seen nopeudella 50 °C minuutissa.
Tyhjiöteknologian paluu suojaa nanoelektroniikkaa säteilyltä
Tutkimus paljasti, että 300–600 °C:ssa ylimääräistä energiaa vapautui säteilytetystä mutterista kahdessa eri vaiheessa, mikä osoittaa, että viat rentoutuvat näissä lämpötiloissa kahden eri mekanismin kautta. Hirstin tiimi käytti sitten molekyylidynamiikan simulaatioita ymmärtääkseen näitä mekanismeja.
TEM:llä näitä vikoja voitiin tutkia vain paljon alemmissa lämpötiloissa, joten vain ryhmä pystyi ekstrapoloimaan vikojen käyttäytymisen korkeammalla lämpötila-alueella. Toistaiseksi tämä on antanut heille mahdollisuuden tunnistaa yksi energian vapautumisprosessi. Tämän tuloksen perusteella Hirst ja kollegat ennustavat, että DSC:llä on potentiaalia paljastaa monia uusia mekanismeja energian vapautumiselle muissa materiaaleissa, paljastaen vikoja, jotka ovat toistaiseksi jääneet piiloon muille tekniikoille.
Niiden lähestymistapa voisi olla erityisen hyödyllinen ydinreaktorien tarkastuksessa. Ottamalla pieniä näytteitä reaktoreista käyttäjät voivat käyttää DSC:tä kvantifioidakseen paremmin, kuinka paljon komponentti on hajonnut säteilyaltistuksen seurauksena. Tämä voisi auttaa reaktoreiden käyttäjiä tekemään tietoisempia päätöksiä siitä, ovatko komponentit turvallisia jatkaa toimintaansa. Tämä puolestaan voi pidentää olemassa olevien ydinvoimaloiden – jopa niiden, joiden katsotaan olevan käyttöikänsä lopussa – käyttöikää tulevina vuosikymmeninä.
Tutkimusta kuvataan Tiede ennakot.
