Una nueva investigación de científicos de la Universidad Texas A&M podría ayudar a aumentar la eficiencia de las plantas de energía nuclear en un futuro cercano. Mediante el uso de una combinación de modelos basados ​​en la física y simulaciones avanzadas, encontraron los factores subyacentes clave que causan daños por radiación en los reactores nucleares, lo que luego podría proporcionar información sobre el diseño de materiales de alto rendimiento más tolerantes a la radiación.

"Los reactores deben funcionar a mayor potencia o usar combustibles por más tiempo para aumentar su rendimiento. Pero luego, en estas configuraciones, el riesgo de desgaste también aumenta", dijo el Dr. Karim Ahmed, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Nuclear. "Por lo tanto, existe una necesidad apremiante de idear mejores diseños de reactores, y una forma de lograr este objetivo es optimizar los materiales utilizados para construir los reactores nucleares".

Los resultados del estudio se publican en la revista Frontiers in Materials .

Según el Departamento de Energía, la energía nuclear supera a todos los demás recursos naturales en producción de energía y representa el 20% de la generación de electricidad de los Estados Unidos. La fuente de energía nuclear son las reacciones de fisión, en las que un isótopo de uranio se divide en elementos secundarios después del impacto de neutrones que se mueven rápidamente. Estas reacciones generan un calor enorme, por lo que las piezas de los reactores nucleares, en particular las bombas y las tuberías, se fabrican con materiales que poseen una solidez excepcional y resistencia a la corrosión.

Sin embargo, las reacciones de fisión también producen una intensa radiación que provoca un deterioro de los materiales estructurales del reactor nuclear. A nivel atómico, cuando la radiación energética se infiltra en estos materiales, puede derribar átomos de sus ubicaciones, causando defectos puntuales, o forzar a los átomos a ocupar lugares vacantes, formando defectos intersticiales. Ambas imperfecciones interrumpen la disposición regular de los átomos dentro de la estructura cristalina del metal. Y luego, lo que comienza como pequeñas imperfecciones crecen para formar vacíos y bucles de dislocación, lo que compromete las propiedades mecánicas del material con el tiempo.

Si bien existe cierta comprensión del tipo de defectos que ocurren en estos materiales tras la exposición a la radiación, Ahmed dijo que ha sido arduo modelar cómo la radiación, junto con otros factores, como la temperatura del reactor y la microestructura del material, se unen. contribuyen a los defectos de formación y su crecimiento.

"El desafío es el costo computacional", dijo. "En el pasado, las simulaciones se limitaban a materiales específicos y a regiones que abarcaban unas pocas micras, pero si el tamaño del dominio se aumenta incluso a decenas de micras, la carga computacional aumenta drásticamente".

En particular, los investigadores dijeron que para acomodar tamaños de dominio más grandes, los estudios previos han comprometido la cantidad de parámetros dentro de las ecuaciones diferenciales de la simulación. Sin embargo, una consecuencia indeseable de ignorar algunos parámetros sobre otros es una descripción inexacta del daño por radiación.

Para superar estas limitaciones, Ahmed y su equipo diseñaron su simulación con todos los parámetros, sin hacer suposiciones sobre si uno de ellos era más pertinente que el otro. Además, para realizar las tareas ahora pesadas desde el punto de vista computacional, utilizaron los recursos proporcionados por el grupo de computación de investigación de alto rendimiento de Texas A&M.

Al ejecutar la simulación, su análisis reveló que el uso de todos los parámetros en combinaciones no lineales produce una descripción precisa del daño por radiación. En particular, además de la microestructura del material, la condición de radiación dentro del reactor, el diseño del reactor y la temperatura también son importantes para predecir la inestabilidad de los materiales debido a la radiación.

Por otro lado, el trabajo de los investigadores también arroja luz sobre por qué los nanomateriales especializados son más tolerantes a los vacíos y los bucles de dislocación. Descubrieron que las inestabilidades solo se activan cuando el borde que rodea los grupos de cristales atómicos coorientados, o el límite de grano, está por encima de un tamaño crítico. Por lo tanto, los nanomateriales con sus tamaños de grano extremadamente finos suprimen las inestabilidades y, por lo tanto, se vuelven más tolerantes a la radiación.

"Aunque el nuestro es un estudio teórico y de modelado fundamental, creemos que ayudará a la comunidad nuclear a optimizar materiales para diferentes tipos de aplicaciones de energía nuclear, especialmente nuevos materiales para reactores que sean más seguros, más eficientes y económicos", dijo Ahmed. "Este progreso eventualmente aumentará nuestra contribución de energía limpia y libre de carbono".

El Dr. Abdurrahman Ozturk, asistente de investigación en el departamento de ingeniería nuclear, es el autor principal de este trabajo. Merve Genturk, estudiante de posgrado en el departamento de ingeniería nuclear, también contribuyó a esta investigación.