Defekty materiałowe spowodowane uszkodzeniem radiacyjnym można scharakteryzować poprzez pomiar energii, którą defekty uwalniają po podgrzaniu. Taki jest wniosek naukowców z USA i Finlandii, którzy twierdzą, że ich nowe podejście może prowadzić do lepszych technik ilościowego określania zmniejszonej wydajności napromieniowanych materiałów – coś, co może mieć ważne implikacje dla działania starzejących się elektrowni jądrowych.
Materiały napromieniowane, takie jak stosowane w reaktorach jądrowych, ulegają uszkodzeniu, gdy absorpcja neutronów i innych cząstek o wysokiej energii powoduje defekty w skali atomowej. To uszkodzenie może z czasem pogorszyć ogólną wydajność materiału. Jednak scharakteryzowanie uszkodzeń mikroskopowych może być bardzo trudne, ponieważ nawet najnowocześniejsze techniki, takie jak transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM), nie mogą dokładnie zmierzyć rodzaju, rozmiaru i gęstości defektów w całym materiale.
Uwolnienie energii
Zamiast bezpośrednio badać defekty, Charles Hirst z Massachusetts Institute of Technology wraz z kolegami przyjrzeli się, jak napromieniowane materiały gromadzą energię w defektach w skali atomowej, a następnie uwalniają tę energię po podgrzaniu. Kluczem do ich techniki jest to, że to uwolnienie następuje po osiągnięciu pewnej bariery energetycznej – bariery, która jest specyficzna dla natury defektu.
Aby zaobserwować ten proces, wykorzystali technikę zwaną różnicową kalorymetrią skaningową (DSC), która mierzy różnicę między ilością ciepła wymaganą do podniesienia temperatury próbki a materiałem odniesienia o dobrze określonej pojemności cieplnej.
W tym przypadku próbką była mała nakrętka tytanowa, napromieniana przez 73 dni, która symulowała promieniowanie, jakiego doświadczyłby w prawdziwym reaktorze jądrowym. Jako punkt odniesienia zespół użył identycznego orzecha, który nie został napromieniowany. W swoim eksperymencie stopniowo podgrzewali próbkę i wzorzec od temperatury pokojowej do 600 °C z szybkością 50 °C na minutę.
Powrót technologii próżniowej uodparnia nanoelektronikę przed promieniowaniem
Badanie ujawniło, że w zakresie 300–600 °C nadmiar energii został uwolniony z napromieniowanego orzecha w dwóch odrębnych etapach, co wskazuje, że defekty ulegają rozluźnieniu w tych temperaturach poprzez dwa różne mechanizmy. Zespół Hirsta wykorzystał następnie symulacje dynamiki molekularnej, aby zrozumieć każdy z tych mechanizmów.
Dzięki TEM defekty te można było badać tylko w znacznie niższych temperaturach, dlatego zespół mógł jedynie ekstrapolować zachowanie defektów w wyższym zakresie temperatur. Do tej pory pozwoliło im to zidentyfikować jeden proces uwalniania energii. Na podstawie tego wyniku Hirst i współpracownicy przewidują, że DSC ma potencjał do odkrycia wielu nowych mechanizmów uwalniania energii w innych materiałach, ujawniając defekty, które do tej pory pozostawały ukryte przed innymi technikami.
Ich podejście może być szczególnie przydatne do kontroli reaktorów jądrowych. Pobierając małe próbki z reaktorów, operatorzy mogliby wykorzystać technikę DSC do lepszego określenia ilościowego stopnia degradacji komponentu w wyniku narażenia na promieniowanie. Może to pomóc operatorom reaktorów w podejmowaniu bardziej świadomych decyzji o tym, czy komponenty są bezpieczne do dalszej eksploatacji. To z kolei może wydłużyć czas życia istniejących elektrowni jądrowych – nawet tych, których okres eksploatacji dobiega końca – o kolejne dziesięciolecia.
Badania opisano w Postępy nauki.
