Các khuyết tật vật liệu do hư hỏng bức xạ có thể được đặc trưng bằng cách đo năng lượng mà các khuyết tật giải phóng khi bị nung nóng. Đó là kết luận của các nhà nghiên cứu ở Mỹ và Phần Lan, những người nói rằng cách tiếp cận mới của họ có thể dẫn đến các kỹ thuật tốt hơn để định lượng hiệu suất suy giảm của các vật liệu chiếu xạ - điều có thể có ý nghĩa quan trọng đối với hoạt động của các nhà máy điện hạt nhân già cỗi.
Các vật liệu được chiếu xạ, chẳng hạn như vật liệu được sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân bị hư hỏng khi sự hấp thụ của neutron và các hạt năng lượng cao khác tạo ra các khuyết tật ở quy mô nguyên tử. Theo thời gian, thiệt hại này có thể làm giảm hiệu suất tổng thể của vật liệu. Tuy nhiên, việc xác định đặc điểm hư hỏng vi mô có thể rất khó vì ngay cả các kỹ thuật tiên tiến như kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cũng không thể đo chính xác loại, kích thước và mật độ của các khuyết tật trên toàn bộ vật liệu.
Giải phóng năng lượng
Thay vì trực tiếp thăm dò các khuyết tật, Charles Hirst tại Viện Công nghệ Massachusetts và các đồng nghiệp đã xem xét cách vật liệu được chiếu xạ lưu trữ năng lượng trong các khuyết tật ở quy mô nguyên tử của chúng, và sau đó giải phóng năng lượng này khi bị đốt nóng. Chìa khóa cho kỹ thuật của họ là sự giải phóng này xảy ra khi đạt đến một rào cản năng lượng nhất định - một rào cản đặc trưng cho bản chất của khiếm khuyết.
Để quan sát quá trình này, họ đã sử dụng một kỹ thuật gọi là đo nhiệt lượng quét vi sai (DSC), đo sự khác biệt giữa lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của mẫu và vật liệu chuẩn có nhiệt dung được xác định rõ.
Trong trường hợp này, mẫu là một hạt titan nhỏ, được chiếu xạ trong 73 ngày, mô phỏng bức xạ mà nó sẽ trải qua trong lò phản ứng hạt nhân thực. Để tham khảo, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một đai ốc giống hệt chưa được chiếu xạ. Trong thí nghiệm của mình, họ làm nóng dần mẫu và mẫu chuẩn từ nhiệt độ phòng đến 600 ° C, với tốc độ 50 ° C mỗi phút.
Sự trở lại của công nghệ chân không giúp miễn dịch điện tử nano khỏi bức xạ
Nghiên cứu cho thấy rằng trong khoảng 300-600 ° C, năng lượng dư thừa được giải phóng từ hạt được chiếu xạ trong hai giai đoạn riêng biệt, cho thấy rằng các khuyết tật giãn ra ở những nhiệt độ này thông qua hai cơ chế khác nhau. Nhóm của Hirst sau đó đã sử dụng các mô phỏng động lực học phân tử để hiểu từng cơ chế này.
Với TEM, những khuyết tật này chỉ có thể được nghiên cứu ở nhiệt độ thấp hơn nhiều, do đó, hành vi của các khuyết tật trong phạm vi nhiệt độ cao hơn chỉ có thể được ngoại suy bởi nhóm nghiên cứu. Cho đến nay, điều này đã cho phép họ xác định một quá trình giải phóng năng lượng. Dựa trên kết quả này, Hirst và các đồng nghiệp dự đoán rằng DSC có tiềm năng khám phá ra nhiều cơ chế giải phóng năng lượng mới trong các vật liệu khác, đồng thời bộc lộ những khiếm khuyết cho đến nay vẫn còn bị che giấu đối với các kỹ thuật khác.
Cách tiếp cận của họ có thể đặc biệt hữu ích để kiểm tra các lò phản ứng hạt nhân. Bằng cách trích xuất các mẫu nhỏ từ lò phản ứng, người vận hành có thể sử dụng DSC để định lượng tốt hơn mức độ suy thoái của một thành phần do tiếp xúc với bức xạ. Điều này có thể giúp người vận hành lò phản ứng đưa ra quyết định sáng suốt hơn về việc các bộ phận có an toàn để tiếp tục hoạt động hay không. Đổi lại, điều này có thể kéo dài tuổi thọ của các nhà máy hạt nhân hiện có - ngay cả những nhà máy được coi là sắp hết tuổi thọ - trong nhiều thập kỷ tới.
Nghiên cứu được mô tả trong Những tiến bộ khoa học.
