Дефекты материала, вызванные радиационным повреждением, можно охарактеризовать путем измерения энергии, выделяемой дефектами при нагревании. К такому выводу пришли исследователи из США и Финляндии, которые говорят, что их новый подход может привести к более совершенным методам количественной оценки ухудшения характеристик облученных материалов, что может иметь важные последствия для эксплуатации стареющих атомных электростанций.
Облученные материалы, например те, которые используются в ядерных реакторах, повреждаются, когда поглощение нейтронов и других высокоэнергетических частиц создает дефекты атомного масштаба. Это повреждение может со временем ухудшить общие характеристики материала. Однако характеристика микроскопических повреждений может быть очень сложной, поскольку даже передовые методы, такие как просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), не могут точно измерить тип, размер и плотность дефектов в материале.
Выпуск энергии
Вместо непосредственного исследования дефектов Чарльз Херст из Массачусетского технологического института и его коллеги изучили, как облученные материалы накапливают энергию в своих дефектах атомного масштаба, а затем выделяют эту энергию при нагревании. Ключом к их технике является то, что это высвобождение происходит после достижения определенного энергетического барьера — барьера, который специфичен для природы дефекта.
Чтобы наблюдать за этим процессом, они использовали метод, называемый дифференциальной сканирующей калориметрией (ДСК), который измеряет разницу между количеством тепла, необходимым для повышения температуры образца, и эталонным материалом с четко определенной теплоемкостью.
В этом случае образец представлял собой небольшую титановую гайку, облученную в течение 73 дней, что имитировало излучение, которое он испытал бы в реальном ядерном реакторе. В качестве эталона команда использовала идентичный орех, который не подвергался облучению. В своем эксперименте они постепенно нагревали образец и эталон от комнатной температуры до 600 °C со скоростью 50 °C в минуту.
Возвращение вакуумных технологий защищает наноэлектронику от радиации
Исследование показало, что в диапазоне температур от 300 до 600 °C избыточная энергия высвобождается из облученного ореха в два этапа, что указывает на релаксацию дефектов при этих температурах по двум различным механизмам. Затем команда Херста использовала моделирование молекулярной динамики, чтобы понять каждый из этих механизмов.
С помощью ПЭМ эти дефекты можно было изучать только при гораздо более низких температурах, поэтому команда могла только экстраполировать поведение дефектов в диапазоне более высоких температур. На данный момент это позволило им идентифицировать один процесс выделения энергии. Основываясь на этом результате, Херст и его коллеги предсказывают, что DSC может раскрыть множество новых механизмов выделения энергии в других материалах, выявляя дефекты, которые до сих пор оставались скрытыми для других методов.
Их подход может быть особенно полезен для проверки ядерных реакторов. Извлекая небольшие образцы из реакторов, операторы могут использовать ДСК для более точного количественного определения степени разрушения компонента под воздействием радиации. Это может помочь операторам реакторов принимать более обоснованные решения о том, безопасно ли продолжать работу компонентов. В свою очередь, это может продлить срок службы существующих атомных станций — даже тех, срок эксплуатации которых, как считается, подходит к концу — на десятилетия вперед.
Исследование описано в Наука развивается.
