I difetti materiali causati dai danni da radiazioni possono essere caratterizzati misurando l'energia che i difetti rilasciano quando riscaldati. Questa è la conclusione dei ricercatori negli Stati Uniti e in Finlandia, che affermano che il loro nuovo approccio potrebbe portare a tecniche migliori per quantificare le prestazioni ridotte dei materiali irradiati, qualcosa che potrebbe avere importanti implicazioni per il funzionamento delle centrali nucleari che invecchiano.
I materiali irradiati, come quelli utilizzati nei reattori nucleari, vengono danneggiati quando l'assorbimento di neutroni e altre particelle ad alta energia crea difetti su scala atomica. Questo danno può, con il tempo, degradare le prestazioni complessive del materiale. Tuttavia, caratterizzare il danno microscopico può essere molto difficile perché anche tecniche all'avanguardia come la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) non possono misurare con precisione il tipo, le dimensioni e la densità dei difetti in un materiale.
Rilascio di energia
Invece di sondare direttamente i difetti, Charles Hirst del Massachusetts Institute of Technology e colleghi hanno esaminato il modo in cui i materiali irradiati immagazzinano energia nei loro difetti su scala atomica e quindi rilasciano questa energia quando vengono riscaldati. La chiave della loro tecnica è che questo rilascio si verifica una volta raggiunta una certa barriera energetica, una barriera specifica per la natura del difetto.
Per osservare questo processo, hanno utilizzato una tecnica chiamata calorimetria a scansione differenziale (DSC), che misura la differenza tra la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di un campione e un materiale di riferimento con una capacità termica ben definita.
In questo caso, il campione era un piccolo dado di titanio, irradiato per 73 giorni, che simulava la radiazione che avrebbe sperimentato in un vero reattore nucleare. Come riferimento, il team ha utilizzato un dado identico che non era stato irradiato. Nel loro esperimento, hanno riscaldato gradualmente il campione e il riferimento dalla temperatura ambiente a 600 °C, a una velocità di 50 °C al minuto.
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Lo studio ha rivelato che tra 300 e 600 ° C, l'energia in eccesso è stata rilasciata dalla noce irradiata in due fasi distinte, indicando che i difetti si rilassano a queste temperature attraverso due diversi meccanismi. Il team di Hirst ha quindi utilizzato simulazioni di dinamica molecolare per comprendere ciascuno di questi meccanismi.
Con TEM, questi difetti possono essere studiati solo a temperature molto più basse, quindi il comportamento dei difetti nell'intervallo di temperatura più alto può essere estrapolato solo dal team. Finora, questo ha permesso loro di identificare un processo di rilascio di energia. Sulla base di questo risultato, Hirst e colleghi prevedono che il DSC ha il potenziale per scoprire molti nuovi meccanismi per il rilascio di energia in altri materiali, rivelando difetti che finora sono rimasti nascosti ad altre tecniche.
Il loro approccio potrebbe essere particolarmente utile per ispezionare i reattori nucleari. Estraendo piccoli campioni dai reattori, gli operatori potrebbero utilizzare il DSC per quantificare meglio l'entità del deterioramento di un componente dovuto all'esposizione alle radiazioni. Ciò potrebbe aiutare gli operatori dei reattori a prendere decisioni più informate sulla sicurezza dei componenti per continuare a funzionare. A sua volta, ciò potrebbe prolungare la vita delle centrali nucleari esistenti, anche quelle che si ritiene stiano raggiungendo la fine della loro vita, per i decenni a venire.
La ricerca è descritta in Anticipi Scienza.
