Cacat material yang disebabkan oleh kerusakan radiasi dapat dicirikan dengan mengukur energi yang dilepaskan oleh cacat tersebut saat dipanaskan. Itulah kesimpulan para peneliti di AS dan Finlandia, yang mengatakan pendekatan baru mereka dapat mengarah pada teknik yang lebih baik untuk mengukur penurunan kinerja bahan iradiasi – sesuatu yang dapat memiliki implikasi penting bagi pengoperasian pembangkit listrik tenaga nuklir yang menua.
Bahan iradiasi, seperti yang digunakan dalam reaktor nuklir rusak ketika penyerapan neutron dan partikel energi tinggi lainnya menciptakan cacat skala atom. Kerusakan ini dapat, seiring waktu, menurunkan kinerja material secara keseluruhan. Namun, mengkarakterisasi kerusakan mikroskopis bisa sangat sulit karena bahkan teknik mutakhir seperti mikroskop elektron transmisi (TEM) tidak dapat secara akurat mengukur jenis, ukuran, dan kepadatan cacat di seluruh material.
Pelepasan energi
Alih-alih menyelidiki cacat secara langsung, Charles Hirst di Massachusetts Institute of Technology dan rekan-rekannya melihat bagaimana bahan yang diiradiasi menyimpan energi dalam cacat skala atomnya, dan kemudian melepaskan energi ini ketika dipanaskan. Kunci teknik mereka adalah bahwa pelepasan ini terjadi setelah penghalang energi tertentu tercapai – penghalang yang khusus untuk sifat cacat.
Untuk mengamati proses ini, mereka menggunakan teknik yang disebut differential scanning calorimetry (DSC), yang mengukur perbedaan antara jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu sampel, dan bahan referensi dengan kapasitas panas yang terdefinisi dengan baik.
Dalam hal ini, sampelnya adalah mur titanium kecil, disinari selama 73 hari, yang mensimulasikan radiasi yang akan dialaminya di reaktor nuklir nyata. Sebagai acuan, tim menggunakan kacang identik yang belum disinari. Dalam percobaan mereka, mereka secara bertahap memanaskan sampel dan referensi dari suhu kamar hingga 600 °C, dengan kecepatan 50 °C per menit.
Kembalinya teknologi vakum mengimunisasi nanoelektronika dari radiasi
Studi tersebut mengungkapkan bahwa antara 300-600 °C, kelebihan energi dilepaskan dari kacang yang diiradiasi dalam dua tahap berbeda, yang menunjukkan bahwa cacat berkurang pada suhu ini melalui dua mekanisme yang berbeda. Tim Hirst kemudian menggunakan simulasi dinamika molekuler untuk memahami masing-masing mekanisme ini.
Dengan TEM, cacat ini hanya dapat dipelajari pada suhu yang jauh lebih rendah, oleh karena itu perilaku cacat pada kisaran suhu yang lebih tinggi hanya dapat diekstrapolasi oleh tim. Sejauh ini, ini memungkinkan mereka untuk mengidentifikasi satu proses pelepasan energi. Berdasarkan hasil ini, Hirst dan rekan memprediksi bahwa DSC memiliki potensi untuk mengungkap banyak mekanisme baru untuk pelepasan energi dalam bahan lain, mengungkapkan cacat yang sejauh ini tetap tersembunyi untuk teknik lain.
Pendekatan mereka bisa sangat berguna untuk memeriksa reaktor nuklir. Dengan mengekstraksi sampel kecil dari reaktor, operator dapat menggunakan DSC untuk mengukur dengan lebih baik sejauh mana suatu komponen telah terdegradasi dari paparan radiasi. Ini dapat membantu operator reaktor untuk membuat keputusan yang lebih tepat tentang apakah komponen aman untuk terus beroperasi. Pada gilirannya, ini dapat memperpanjang masa pakai pembangkit nuklir yang ada – bahkan yang dianggap mencapai akhir masa pakainya – selama beberapa dekade mendatang.
Penelitian tersebut dijelaskan dalam Kemajuan ilmu pengetahuan.
