Materialdefekter orsakade av strålskador kan karakteriseras genom att mäta den energi som defekterna avger vid uppvärmning. Det är slutsatsen av forskare i USA och Finland, som säger att deras nya tillvägagångssätt kan leda till bättre tekniker för att kvantifiera den försämrade prestandan hos bestrålade material – något som kan få viktiga konsekvenser för driften av åldrande kärnkraftverk.
Bestrålade material, som de som används i kärnreaktorer, skadas när absorptionen av neutroner och andra högenergipartiklar skapar atomskaliga defekter. Denna skada kan med tiden försämra materialets totala prestanda. Det kan dock vara mycket svårt att karakterisera mikroskopiska skador eftersom till och med banbrytande tekniker som transmissionselektronmikroskopi (TEM) inte kan exakt mäta typen, storleken och densiteten av defekter i ett material.
Energiutsläpp
Istället för att undersöka defekter direkt, tittade Charles Hirst vid Massachusetts Institute of Technology och kollegor på hur bestrålade material lagrar energi i sina defekter i atomskala och sedan frigör denna energi när de värms upp. Nyckeln till deras teknik är att denna frisättning sker när en viss energibarriär nås – en barriär som är specifik för defektens natur.
För att observera denna process använde de en teknik som kallas differential scanning calorimetry (DSC), som mäter skillnaden mellan mängden värme som krävs för att höja temperaturen på ett prov, och ett referensmaterial med en väldefinierad värmekapacitet.
I det här fallet var provet en liten titanöt, bestrålad i 73 dagar, som simulerade strålningen den skulle uppleva i en riktig kärnreaktor. Som referens använde teamet en identisk nöt som inte hade bestrålats. I sitt experiment värmde de gradvis upp provet och referensen från rumstemperatur till 600 °C, med en hastighet av 50 °C per minut.
Vakuumteknologins comeback immuniserar nanoelektronik från strålning
Studien avslöjade att mellan 300–600 °C frigjordes överskottsenergi från den bestrålade muttern i två distinkta steg, vilket indikerar att defekter slappnar av vid dessa temperaturer genom två olika mekanismer. Hirsts team använde sedan simuleringar av molekylär dynamik för att förstå var och en av dessa mekanismer.
Med TEM kunde dessa defekter endast studeras vid mycket lägre temperaturer, därför kunde beteendet hos defekter i det högre temperaturområdet endast extrapoleras av teamet. Hittills har detta gjort det möjligt för dem att identifiera en energifrisättningsprocess. Baserat på detta resultat förutspår Hirst och kollegor att DSC har potential att avslöja många nya mekanismer för energifrisättning i andra material, och avslöjar defekter som hittills har förblivit dolda för andra tekniker.
Deras tillvägagångssätt kan vara särskilt användbart för att inspektera kärnreaktorer. Genom att extrahera små prover från reaktorer kan operatörer använda DSC för att bättre kvantifiera omfattningen av hur en komponent har försämrats från strålningsexponering. Detta kan hjälpa reaktoroperatörer att fatta mer välgrundade beslut om huruvida komponenter är säkra att fortsätta i drift. Detta kan i sin tur förlänga livslängden för befintliga kärnkraftverk – även de som anses vara på väg att nå slutet av sin livstid – i årtionden framöver.
Forskningen beskrivs i Vetenskap Förskott.
