La radiación casi siempre degrada los materiales expuestos a ella, acelerando su deterioro y requiriendo la sustitución de componentes clave en entornos de alta radiación, como los reactores nucleares. Pero para ciertas aleaciones que podrían usarse en reactores de fisión o fusión, lo contrario resulta ser cierto:los investigadores del MIT y en California ahora han descubierto que en lugar de acelerar la degradación del material, la radiación realmente mejora su resistencia, potencialmente duplicando la vida útil del material.

El hallazgo podría ser una bendición para algunos nuevos diseños de reactores de vanguardia, incluidos los reactores de fisión refrigerados por sales fundidas, y nuevos reactores de fusión como el diseño ARC que están desarrollando el MIT y Commonwealth Fusion Systems.

El hallazgo, que fue una sorpresa para los científicos nucleares, se informa hoy en la revista Comunicaciones de la naturaleza , en un artículo del profesor de ciencia e ingeniería nuclear del MIT Michael Short, estudiante de posgrado Weiyue Zhou, y otros cinco en el MIT y en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

Short dice que el hallazgo fue un poco fortuito; De hecho, los investigadores buscaban cuantificar el efecto contrario. Inicialmente querían determinar cuánta radiación aumentaría la tasa de corrosión en ciertas aleaciones de níquel y cromo que se pueden usar como revestimiento para conjuntos de combustible nuclear.

Los experimentos fueron difíciles de realizar, porque es imposible medir las temperaturas directamente en la interfaz entre la sal fundida, utilizado como refrigerante, y la superficie de aleación de metal. Por lo tanto, fue necesario averiguar las condiciones indirectamente rodeando el material con una batería de sensores. Desde el principio aunque, las pruebas mostraron signos del efecto opuesto:corrosión, la principal causa de fallas de materiales en el duro entorno de una vasija de reactor, parecía reducirse en lugar de acelerarse cuando estaba bañado en radiación, en este caso un alto flujo de protones.

"Lo repetimos decenas de veces, con diferentes condiciones, "Short dice, "y cada vez obtuvimos los mismos resultados", mostrando una corrosión retardada.

El tipo de entorno del reactor que el equipo simuló en sus experimentos implica el uso de sodio fundido, litio, y sal de potasio como refrigerante tanto para las barras de combustible nuclear en un reactor de fisión como para el recipiente de vacío que rodea un supercaliente, plasma arremolinado en un futuro reactor de fusión. Donde la sal fundida caliente está en contacto con el metal, la corrosión puede ocurrir rápidamente, pero con estas aleaciones de níquel-cromo descubrieron que la corrosión tardaba el doble en desarrollarse cuando el material se bañaba con la radiación de un acelerador de protones, produciendo un ambiente de radiación similar al que se encontraría en los reactores propuestos.

Ser capaz de predecir con mayor precisión la vida útil de los componentes críticos del reactor podría reducir la necesidad de sustitución anticipada de piezas, Short dice.

Análisis cuidadoso de imágenes de las superficies de aleación afectadas mediante microscopía electrónica de transmisión, después de irradiar el metal en contacto con la sal fundida a 650 grados Celsius, (una temperatura de funcionamiento típica para la sal en tales reactores), ayudó a revelar el mecanismo que causa el efecto inesperado. La radiación tiende a crear defectos más pequeños en la estructura de la aleación, y estos defectos permiten que los átomos del metal se difundan más fácilmente, fluyendo para llenar rápidamente los vacíos creados por la sal corrosiva. En efecto, el daño por radiación promueve una especie de mecanismo de autocuración dentro del metal.

Ha habido indicios de tal efecto hace medio siglo, cuando los experimentos con un reactor de fisión experimental temprano enfriado con sal mostraron una corrosión menor de la esperada en sus materiales, pero las razones de ello habían sido un misterio hasta que este nuevo trabajo, Short dice. Incluso después de los hallazgos experimentales iniciales de este equipo, Short dice, "Nos tomó mucho más tiempo darle sentido".

El descubrimiento podría ser relevante para una variedad de nuevos diseños propuestos para reactores que podrían ser más seguros y eficientes que los diseños existentes. Short dice. Se han propuesto varios diseños para reactores de fisión refrigerados por sal, incluido uno de un equipo dirigido por Charles Forsberg, científico investigador principal del Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear del MIT. Los hallazgos también podrían ser útiles para varios diseños propuestos para nuevos tipos de reactores de fusión que las empresas emergentes están buscando activamente. que tienen el potencial de proporcionar electricidad sin emisiones de gases de efecto invernadero y con muchos menos desechos radiactivos.

"No es particular de ningún diseño, "Short dice." Ayuda a todos ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.