Materialfeil forårsaket av stråleskader kan karakteriseres ved å måle energien som defektene frigjør ved oppvarming. Det er konklusjonen til forskere i USA og Finland, som sier at deres nye tilnærming kan føre til bedre teknikker for å kvantifisere den reduserte ytelsen til bestrålte materialer – noe som kan ha viktige implikasjoner for driften av aldrende kjernekraftverk.
Bestrålte materialer, som de som brukes i atomreaktorer, blir skadet når absorpsjon av nøytroner og andre høyenergipartikler skaper atomskala defekter. Denne skaden kan over tid forringe materialets generelle ytelse. Det kan imidlertid være svært vanskelig å karakterisere mikroskopiske skader fordi selv banebrytende teknikker som transmisjonselektronmikroskopi (TEM) ikke kan måle typen, størrelsen og tettheten av defekter nøyaktig i et materiale.
Frigjøring av energi
I stedet for å undersøke defekter direkte, så Charles Hirst ved Massachusetts Institute of Technology og kolleger på hvordan bestrålte materialer lagrer energi i deres atomskala defekter, og deretter frigjør denne energien når de varmes opp. Nøkkelen til teknikken deres er at denne frigjøringen skjer når en viss energibarriere er nådd – en barriere som er spesifikk for defektens natur.
For å observere denne prosessen brukte de en teknikk kalt differensiell skanningkalorimetri (DSC), som måler forskjellen mellom mengden varme som kreves for å heve temperaturen på en prøve, og et referansemateriale med en veldefinert varmekapasitet.
I dette tilfellet var prøven en liten titannøtt, bestrålt i 73 dager, som simulerte strålingen den ville oppleve i en ekte atomreaktor. Som referanse brukte teamet en identisk nøtt som ikke hadde blitt bestrålt. I eksperimentet deres varmet de gradvis opp prøven og referansen fra romtemperatur til 600 °C, med en hastighet på 50 °C per minutt.
Vakuumteknologiens comeback immuniserer nanoelektronikk mot stråling
Studien viste at mellom 300–600 °C ble overflødig energi frigjort fra den bestrålte mutteren i to forskjellige stadier, noe som indikerer at defekter slapper av ved disse temperaturene gjennom to forskjellige mekanismer. Hirsts team brukte deretter simuleringer av molekylær dynamikk for å forstå hver av disse mekanismene.
Med TEM kunne disse defektene bare studeres ved langt lavere temperaturer, derfor kunne oppførselen til defekter i det høyere temperaturområdet bare ekstrapoleres av teamet. Så langt har dette tillatt dem å identifisere én energifrigjøringsprosess. Basert på dette resultatet spår Hirst og kolleger at DSC har potensial til å avdekke mange nye mekanismer for energifrigjøring i andre materialer, og avsløre defekter som så langt har vært skjult for andre teknikker.
Tilnærmingen deres kan være spesielt nyttig for inspeksjon av atomreaktorer. Ved å trekke ut små prøver fra reaktorer, kan operatører bruke DSC for å bedre kvantifisere omfanget av hvordan en komponent har degradert fra strålingseksponering. Dette kan hjelpe reaktoroperatører til å ta mer informerte beslutninger om hvorvidt komponenter er trygge å fortsette i drift. I sin tur kan dette forlenge levetiden til eksisterende kjernekraftverk – selv de som anses å nå slutten av levetiden – i flere tiår fremover.
Forskningen er beskrevet i Vitenskap Fremskritt.
