Los materiales expuestos a un entorno de alta radiación, como el interior de la vasija de un reactor nuclear, pueden degradarse y debilitarse gradualmente. Pero para determinar exactamente cuánto daño sufren estos materiales, generalmente se requiere extraer una muestra y probarla en instalaciones especializadas. un proceso que puede llevar semanas.

Un método analítico desarrollado por investigadores del Departamento de Química del MIT y aplicado por miembros del Laboratorio de Materiales Nucleares de Mesoescala del MIT podría cambiar eso, permitiendo potencialmente el monitoreo continuo de estos materiales sin la necesidad de removerlos de su ambiente de radiación. Esto podría acelerar enormemente el proceso de prueba y reducir el reemplazo preventivo de materiales que de hecho son seguros y utilizables.

Los hallazgos se publican esta semana en la revista. Revisión física B , en un artículo del estudiante de posgrado Cody Dennett, profesor asistente de ciencia e ingeniería nuclear Michael Short, y otros seis.

Cuando se trata de medir el daño por radiación en materiales, Short dice, "la mayoría de las formas actuales son lentas y caras". Por ejemplo, el método considerado el estándar de oro para tales pruebas, microscopía electrónica de transmisión (TEM), produce datos completos sobre muchos de los defectos del material que son responsables de los cambios en sus propiedades. Pero no todos los defectos que afectan las propiedades del material se pueden ver en el TEM, por lo que la prueba no proporciona datos completos.

"No solo nos interesa cuántos vacíos o vacantes tiene, "Short dice, refiriéndose a lugares donde faltan uno o más átomos en la red cristalina del material. "Lo que realmente queremos saber es cómo están cambiando las propiedades del material".

El equipo encontró la respuesta en una técnica llamada espectroscopia de rejilla transitoria. Esencialmente, esta es una forma de medir las propiedades térmicas y elásticas de los materiales induciendo y monitoreando ondas acústicas en la superficie del material. Aunque el sistema solo "ve" la superficie exterior de los materiales, esas vibraciones acústicas se ven afectadas por defectos del subsuelo en la estructura del material. El efecto es similar a la forma en que los geólogos pueden construir una imagen de las capas interiores de la Tierra al estudiar la forma en que las ondas sísmicas se propagan en diferentes direcciones.

El sistema crea estas oscilaciones acústicas mediante el uso de dos rayos láser pulsados ​​dirigidos a la muestra de tal manera que las ondas de luz de los dos rayos provocan un patrón de interferencia. Este patrón de interferencia provoca un calentamiento en la superficie de la muestra, generando una onda acústica estacionaria. El movimiento de la superficie causado por esta onda puede ser monitoreado por otro conjunto de láseres. "Creamos ondas acústicas ondulantes, "Short dice, "y medir la rapidez con la que se mueven y la rapidez con la que se descomponen, "sin entrar en contacto físico con el material de ninguna manera.

El trabajo del equipo inicialmente enfrentó cierto escepticismo. "La gente decía '¿cómo sabes que [esta técnica] es lo suficientemente sensible?'", Dice Short. Pero con experimentos cuidadosos que coincidían "casi perfectamente" con las simulaciones teóricas, demostraron la sensibilidad necesaria, él dice. "Esas preguntas críticas fueron importantes para nosotros, y nos motivó a realizar este estudio ".

Para una prueba, el equipo comparó dos lotes de muestras de aluminio que estaban compuestos de monocristales perfectos con diferentes orientaciones de superficie. Aunque la disposición atómica interna era diferente, "parecían idénticos a los ojos o al microscopio, ", dice." Los ponemos todos en nuestro dispositivo, y pudimos resolverlos todos ".

Para dar seguimiento a su trabajo inicial, los investigadores ahora están trabajando para demostrar la sensibilidad de su técnica a pequeños defectos en la estructura de un material. "Estamos creando defectos simples y luego midiendo las señales, para predecir el impacto, "Dice Short." Queremos mostrar lo sensibles que podemos llegar a ser ".

El equipo utilizó diferentes materiales en sus pruebas, pero se centró principalmente en aluminio monocristalino. Eligieron ese material porque era uno de los más desafiantes, Breve explica. "Al rotar la muestra, su respuesta acústica cambia "debido a la diferente alineación de la estructura cristalina con las ondas acústicas superficiales inducidas por láser". Pero cambia muy poco. Entonces, si podemos sentir esos cambios sutiles en la velocidad de onda en el aluminio, entonces estamos bien preparados para medir los efectos de la radiación "en otros materiales. Los resultados de esas pruebas mostraron que su dispositivo es lo suficientemente sensible como para detectar cambios en la velocidad de la onda acústica tan pequeños como una décima parte del 1 por ciento. Y puede proporcionar su responde "en segundos, versus meses o años "para los métodos existentes.

El método que desarrollaron los investigadores para simular directamente la espectroscopia de rejilla transitoria es tan importante como las mediciones en sí mismas. ellos dicen. Utilizando cuidadosas simulaciones de dinámica molecular, los investigadores pudieron predecir con precisión la respuesta esperada del cobre y el aluminio, y confirme esta predicción con mediciones. "La implicación más poderosa de estas simulaciones, "Short dice, "es que podemos crear nuevas estructuras en la computadora y predecir sus señales. Algunos defectos son demasiado complejos para que podamos predecir sus señales usando solo la teoría. Ahí es donde entra la simulación". La capacidad de utilizar la simulación para explicar las mediciones experimentales a escala atómica también es "extremadamente esclarecedora, " él dice.

"Ahora, podemos tomar un punto de datos cada cinco minutos, donde normalmente obtendría algunos puntos de datos por mes, ", dice. Que las pruebas más rápidas podrían ser cruciales para permitir el desarrollo de nuevas generaciones de material de revestimiento para combustible nuclear para nuevos reactores avanzados," él dice. "Ahora, el mayor inconveniente de implementar nuevos reactores son los materiales, y el mayor inconveniente son las pruebas. Si podemos pasar de meses a segundos, podemos sortear ese cuello de botella ".

Aunque sus pruebas iniciales se realizaron con configuraciones de laboratorio más grandes, Short dice que debería ser bastante sencillo reproducir esas funciones en un pequeño, Dispositivo portátil que podría transportarse para pruebas de campo o montarse permanentemente en puntos estratégicos de monitoreo dentro de una vasija de reactor.

"Este es un gran trabajo con una buena combinación de trabajo experimental y de modelado, "dice Felix Hoffman, profesor asociado de ciencias de la ingeniería en la Universidad de Oxford en el Reino Unido, que no estuvo involucrado en este trabajo.

"Los métodos de rejilla transitoria (TG) proporcionan una gran alternativa nueva a las técnicas tradicionales de medición del daño por radiación, ya que son rápidas, no destructivo y no requieren mucho en la forma de preparación de la muestra que no sea una superficie pulida, ", dice." Esto está en marcado contraste con TEM, sonda atómica, o micromecánica que requiera una larga preparación de la muestra. ... Si el sistema se puede miniaturizar y hacer lo suficientemente portátil para permitir mediciones in situ, esto abriría enormes posibilidades para sondear la evolución de las propiedades del material debido a la irradiación ".

"Los autores han demostrado un avance significativo y versátil en la monitorización y cuantificación de defectos puntuales en volúmenes de mesoescala, "dice Steven Zinkle, presidente del departamento de ingeniería nuclear de la Universidad de Tennessee, quien tampoco estuvo involucrado en este trabajo. "Con mayor refinamiento, " él dice, "La técnica de espectroscopia TG recientemente desarrollada podría conducir a una mejor comprensión de las evoluciones de defectos en tiempo real que ocurren en una amplia gama de materiales puros y aleaciones de ingeniería durante la exposición al procesamiento de haz de iones o al bombardeo de neutrones durante la producción de energía en reactores nucleares".

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.