Cuando los neutrones o iones acelerados bombardean un material, su capa superficial sufre transformaciones físicas y químicas dramáticas. El Centro Nacional de Investigación Nuclear en Swierk, Polonia, ha logrado conocer en detalle los procesos que ocurren en tales situaciones en los polímeros. Los físicos utilizaron el conocimiento recopilado para crear un método para producir supersellados, también propusieron una forma simple y rápida de detectar cables peligrosos cuyo aislamiento de polímero comienza a perder sus propiedades aislantes.

El funcionamiento seguro y fiable de los reactores nucleares, y en el futuro también de los reactores de fusión, depende estrictamente de la calidad de su cableado. Sin embargo, una investigación realizada en el Centro Nacional de Investigación Nuclear (NCBJ) en Świerk, Polonia, muestra que los aislamientos de cables de polímero, expuestos a altas dosis de radiación durante décadas, pierden gradualmente sus propiedades aislantes. Un grupo de físicos de NCBJ, dirigido por el profesor Jacek Jagielski, no solo conoció los detalles de este proceso, sino que también propuso una técnica fácil de usar para detectar cables peligrosos.

El equipo del Prof. Jagielski se ha ocupado durante mucho tiempo de cuestiones relacionadas con la modificación de la capa superficial de materiales con haces de iones. Hace unos años, la atención de los investigadores se centró en los sellos de polímero. Una de las empresas polacas estaba en problemas en ese momento debido a los sellos en el equipo militar fabricado. Las máquinas se exportaron a un país de clima tropical y lluvioso. Los sellos de los motores, que en Polonia funcionaban sin mayores problemas, comenzaron a sobrecalentarse y tener fugas en las nuevas condiciones. Mientras tanto, el contrato obligaba al fabricante a reemplazar toda la unidad de potencia defectuosa debido a una junta.

El sobrecalentamiento de las juntas utilizadas en los mecanismos de movimiento es consecuencia del alto coeficiente de fricción de los polímeros de los que generalmente están hechas. El grupo del Prof. Jagielski decidió comprobar si la irradiación de iones afecta al coeficiente de fricción. Resultó que una fina capa superficial de polímero, de aproximadamente un micrómetro de espesor, se endurece considerablemente como resultado del bombardeo. Su coeficiente de fricción disminuyó incluso diez veces, y esto a pesar de que rápidamente se cubrió con una red de grietas.

Una reducción significativa del valor del coeficiente de fricción de las juntas de polímero significa en la práctica una reducción del desgaste de los elementos mecánicos. Por lo tanto, los mecanismos equipados con juntas modificadas funcionarán no solo durante más tiempo, sino también de manera más eficiente, especialmente porque las grietas superficiales se pueden utilizar como depósitos de lubricante. En algunos casos, como los actuadores neumáticos, la máquina puede trabajar más rápido, lo que aumenta la productividad.

"Durante la investigación sobre juntas, notamos que las propiedades eléctricas de los polímeros comenzaron a cambiar debido a defectos de radiación", dice el profesor Jagielski. "Entonces me pareció natural hacer otra pregunta:¿qué sucede con el aislamiento de los cables expuestos a la radiación, si su aislamiento también está hecho de polímeros?"

El tema puede parecer nicho, pero adquiere un significado diferente en un momento en que la eficiencia y la seguridad de la energía nuclear comienzan a apreciarse nuevamente. Las centrales nucleares modernas están diseñadas pensando en al menos 60 años de funcionamiento, y cada vez más a menudo con la posibilidad de extenderse hasta cien. Al mismo tiempo, cada reactor debe estar equipado con varios miles de kilómetros de cables cada vez más pequeños. Algunos de ellos estarán expuestos al bombardeo de neutrones liberados durante las reacciones nucleares durante décadas. En esta situación, la pregunta sobre el destino de los polímeros que garantizan su aislamiento se convierte en una pregunta sobre la seguridad energética de millones de personas.

En los reactores nucleares, los materiales están expuestos a neutrones y radiación gamma. Sin embargo, la gran mayoría de los defectos en el material irradiado no son causados ​​directamente por neutrones o fotones, sino por los átomos que destruyen o los enlaces atómicos rotos. En la práctica, por lo tanto, los defectos materiales causados ​​por neutrones no difieren sustancialmente de los iniciados por iones. En lugar de llevar a cabo una investigación engorrosa en el reactor, el equipo de NCBJ podría usar un prototipo de implantador de iones industrial de su propio diseño.

Se irradiaron materiales aislantes como cloruro de polivinilo (PVC), teflón (PTFE) y varios tipos de caucho (natural, EPDM, NBR, SBR). Los investigadores estaban interesados ​​en la composición química de la capa superficial modificada, su estructura física y la topografía de la superficie. Los resultados de las mediciones y sus conclusiones acaban de ser presentados en un extenso artículo publicado en el Journal of Applied Physics .

"Los polímeros se componen principalmente de carbono e hidrógeno", explica Anna Kosińska, la primera autora del artículo mencionado anteriormente, Ph.D. alumno. "Los enlaces entre estos elementos se encuentran entre los más débiles y se rompen durante el bombardeo con iones rápidos. El átomo de hidrógeno liberado atrapa a su colega del medio ambiente y en forma molecular escapa del material al medio ambiente. Lo que queda es carbono amorfo. similar a la adamantita, que es capaz de conducir electricidad. Todo esto en conjunto significa que el aislamiento de polímero de los cables expuestos a la radiación perderá sus propiedades aislantes con el tiempo".

La atención de los físicos del NCBJ se centró en el hecho de que la capa superficial del polímero comienza a contraerse debido a la liberación de hidrógeno. Como resultado, se vuelve más denso que el original y hasta diez veces más duro que el original. Una meticulosa investigación ha establecido que existe una clara correlación entre los cambios en las propiedades mecánicas del aislamiento del cable y su resistencia eléctrica. Para saber si el aislamiento funciona correctamente, basta con medir la dureza del aislamiento del cable con un probador de dureza manual.

"Nos damos cuenta de que el método que proponemos para detectar cambios en la resistencia eléctrica de los aislamientos de polímero no es perfectamente preciso. Sin embargo, tiene ventajas funcionales muy significativas:es simple, rápido y permite determinar casi de inmediato si el cable probado se vuelve peligroso ", dice el profesor Jagielski. + Explora más

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