Дефекти матеріалу, викликані радіаційним пошкодженням, можна охарактеризувати шляхом вимірювання енергії, яку дефекти виділяють при нагріванні. Це висновок дослідників із США та Фінляндії, які кажуть, що їхній новий підхід може призвести до кращих методів кількісного визначення зниження ефективності опромінених матеріалів – те, що може мати важливі наслідки для роботи застарілих атомних електростанцій.
Опромінені матеріали, наприклад ті, що використовуються в ядерних реакторах, пошкоджуються, коли поглинання нейтронів та інших частинок високої енергії створює дефекти атомного масштабу. Це пошкодження може з часом погіршити загальні характеристики матеріалу. Однак охарактеризувати мікроскопічні пошкодження може бути дуже важко, оскільки навіть передові методи, такі як просвічуюча електронна мікроскопія (ТЕМ), не можуть точно виміряти тип, розмір і щільність дефектів у всьому матеріалі.
Вивільнення енергії
Замість того, щоб безпосередньо досліджувати дефекти, Чарльз Херст з Массачусетського технологічного інституту та його колеги дослідили, як опромінені матеріали накопичують енергію у своїх дефектах атомного масштабу, а потім вивільняють цю енергію при нагріванні. Ключ до їх техніки полягає в тому, що це вивільнення відбувається після досягнення певного енергетичного бар’єру – бар’єру, який є специфічним для природи дефекту.
Щоб спостерігати за цим процесом, вони використовували техніку під назвою диференціальна скануюча калориметрія (DSC), яка вимірює різницю між кількістю тепла, необхідного для підвищення температури зразка, і еталонним матеріалом із чітко визначеною теплоємністю.
У цьому випадку зразком була невелика титанова горішка, опромінювана протягом 73 днів, що моделювало випромінювання, яке воно зазнає в реальному ядерному реакторі. Як еталон команда використовувала ідентичний горіх, який не був опромінений. У своєму експерименті вони поступово нагрівали зразок і еталон від кімнатної температури до 600 °C зі швидкістю 50 °C на хвилину.
Повернення вакуумної технології захищає наноелектроніку від радіації
Дослідження показало, що між 300–600 °C надлишкова енергія виділяється з опроміненого горіха у два різних етапи, що вказує на те, що дефекти релаксують при цих температурах за допомогою двох різних механізмів. Потім команда Герста використала моделювання молекулярної динаміки, щоб зрозуміти кожен із цих механізмів.
За допомогою ТЕМ ці дефекти можна було досліджувати лише при набагато нижчих температурах, тому поведінка дефектів у вищому температурному діапазоні могла бути лише екстрапольована командою. Наразі це дозволило їм ідентифікувати один процес виділення енергії. Грунтуючись на цьому результаті, Герст і його колеги передбачають, що DSC має потенціал для виявлення багатьох нових механізмів вивільнення енергії в інших матеріалах, виявляючи дефекти, які досі залишалися прихованими для інших методів.
Їхній підхід може бути особливо корисним для перевірки ядерних реакторів. Відбираючи невеликі зразки з реакторів, оператори могли б використовувати DSC для кращої кількісної оцінки ступеня погіршення якості компонента під впливом радіації. Це може допомогти операторам реакторів приймати більш обґрунтовані рішення щодо безпечності компонентів для продовження роботи. У свою чергу, це може подовжити термін служби існуючих атомних станцій – навіть тих, які вважаються такими, що добігають кінця – на десятиліття вперед.
Дослідження описано в Наука розвивається.
