Materiële defecten veroorzaakt door stralingsschade kunnen worden gekarakteriseerd door het meten van de energie die de defecten vrijgeven bij verhitting. Dat is de conclusie van onderzoekers in de VS en Finland, die zeggen dat hun nieuwe aanpak zou kunnen leiden tot betere technieken om de verminderde prestaties van bestraalde materialen te kwantificeren - iets dat belangrijke implicaties zou kunnen hebben voor de werking van verouderende kerncentrales.
Bestraalde materialen, zoals die in kernreactoren worden gebruikt, worden beschadigd wanneer de absorptie van neutronen en andere hoogenergetische deeltjes atomaire defecten veroorzaakt. Deze schade kan na verloop van tijd de algehele prestaties van het materiaal verslechteren. Het karakteriseren van microscopische schade kan echter erg moeilijk zijn, omdat zelfs geavanceerde technieken zoals transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) het type, de grootte en de dichtheid van defecten in een materiaal niet nauwkeurig kunnen meten.
Energie vrijgeven
In plaats van defecten direct te onderzoeken, keken Charles Hirst van het Massachusetts Institute of Technology en collega's hoe bestraalde materialen energie opslaan in hun atomaire schaaldefecten en deze energie vervolgens vrijgeven bij verhitting. De sleutel tot hun techniek is dat deze afgifte plaatsvindt zodra een bepaalde energiebarrière is bereikt - een barrière die specifiek is voor de aard van het defect.
Om dit proces te observeren, gebruikten ze een techniek genaamd differential scanning calorimetry (DSC), die het verschil meet tussen de hoeveelheid warmte die nodig is om de temperatuur van een monster te verhogen, en een referentiemateriaal met een goed gedefinieerde warmtecapaciteit.
In dit geval was het monster een kleine titanium noot, bestraald gedurende 73 dagen, die de straling simuleerde die het zou ervaren in een echte kernreactor. Als referentie gebruikte het team een identieke noot die niet was bestraald. In hun experiment verwarmden ze het monster en de referentie geleidelijk van kamertemperatuur tot 600 ° C, met een snelheid van 50 ° C per minuut.
De comeback van vacuümtechnologie immuniseert nano-elektronica tegen straling
Uit het onderzoek bleek dat tussen 300-600 °C overtollige energie vrijkwam uit de bestraalde noot in twee verschillende fasen, wat aangeeft dat defecten bij deze temperaturen door twee verschillende mechanismen ontspannen. Het team van Hirst gebruikte vervolgens moleculaire dynamica-simulaties om elk van deze mechanismen te begrijpen.
Met TEM konden deze defecten alleen bij veel lagere temperaturen worden bestudeerd, daarom kon het gedrag van defecten in het hogere temperatuurbereik alleen door het team worden geëxtrapoleerd. Tot dusverre heeft dit hen in staat gesteld om één energievrijgaveproces te identificeren. Op basis van dit resultaat voorspellen Hirst en collega's dat DSC het potentieel heeft om veel nieuwe mechanismen voor het vrijkomen van energie in andere materialen aan het licht te brengen, waarbij defecten worden onthuld die tot nu toe verborgen zijn gebleven voor andere technieken.
Hun aanpak zou bijzonder nuttig kunnen zijn voor het inspecteren van kernreactoren. Door kleine monsters uit reactoren te halen, kunnen operators DSC gebruiken om beter te kwantificeren in hoeverre een onderdeel is aangetast door blootstelling aan straling. Dit zou reactoroperators kunnen helpen beter geïnformeerde beslissingen te nemen over de vraag of componenten veilig zijn om te blijven werken. Dit zou op zijn beurt de levensduur van bestaande kerncentrales kunnen verlengen - zelfs die waarvan wordt aangenomen dat ze het einde van hun levensduur bereiken - voor de komende decennia.
Het onderzoek is beschreven in Wetenschap Advances.
