Defeitos materiais causados por danos por radiação podem ser caracterizados pela medição da energia que os defeitos liberam quando aquecidos. Essa é a conclusão de pesquisadores nos EUA e na Finlândia, que dizem que sua nova abordagem pode levar a melhores técnicas para quantificar o desempenho reduzido de materiais irradiados – algo que pode ter implicações importantes para a operação de usinas nucleares antigas.
Materiais irradiados, como os usados em reatores nucleares, são danificados quando a absorção de nêutrons e outras partículas de alta energia cria defeitos em escala atômica. Esse dano pode, com o tempo, degradar o desempenho geral do material. No entanto, caracterizar danos microscópicos pode ser muito difícil porque mesmo técnicas de ponta, como microscopia eletrônica de transmissão (TEM), não podem medir com precisão o tipo, tamanho e densidade dos defeitos em um material.
Liberação de energia
Em vez de sondar os defeitos diretamente, Charles Hirst, do Massachusetts Institute of Technology, e colegas analisaram como os materiais irradiados armazenam energia em seus defeitos em escala atômica e liberam essa energia quando aquecidos. A chave para sua técnica é que essa liberação ocorre quando uma certa barreira de energia é alcançada – uma barreira que é específica para a natureza do defeito.
Para observar esse processo, eles usaram uma técnica chamada calorimetria de varredura diferencial (DSC), que mede a diferença entre a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de uma amostra e um material de referência com capacidade calorífica bem definida.
Neste caso, a amostra foi uma pequena porca de titânio, irradiada por 73 dias, que simulou a radiação que experimentaria em reator nuclear real. Como referência, a equipe utilizou uma noz idêntica que não havia sido irradiada. Em seu experimento, eles aqueceram gradualmente a amostra e a referência da temperatura ambiente até 600°C, a uma taxa de 50°C por minuto.
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O estudo revelou que entre 300 e 600 °C, o excesso de energia foi liberado da noz irradiada em dois estágios distintos, indicando que os defeitos relaxam nessas temperaturas por meio de dois mecanismos diferentes. A equipe de Hirst então usou simulações de dinâmica molecular para entender cada um desses mecanismos.
Com o TEM, esses defeitos só poderiam ser estudados em temperaturas muito mais baixas, portanto, o comportamento dos defeitos na faixa de temperatura mais alta só poderia ser extrapolado pela equipe. Até agora, isso permitiu que eles identificassem um processo de liberação de energia. Com base nesse resultado, Hirst e colegas prevêem que o DSC tem o potencial de descobrir muitos novos mecanismos de liberação de energia em outros materiais, revelando defeitos que até agora permaneceram ocultos para outras técnicas.
Sua abordagem pode ser particularmente útil para inspecionar reatores nucleares. Ao extrair pequenas amostras dos reatores, os operadores podem usar o DSC para quantificar melhor a extensão de como um componente se degradou pela exposição à radiação. Isso pode ajudar os operadores de reatores a tomar decisões mais informadas sobre se os componentes são seguros para continuar operando. Por sua vez, isso poderia estender a vida útil das usinas nucleares existentes – mesmo aquelas consideradas chegando ao fim de suas vidas – nas próximas décadas.
A pesquisa é descrita em Os avanços da ciência.
