Un microscopio electrónico revela las cavidades inducidas por radiación dentro de muestras de níquel puro y aleaciones. Las cavidades en las aleaciones de níquel-cobalto-hierro y níquel-cobalto-hierro-cromo-manganeso son 100 veces más pequeñas que las del níquel puro. Crédito:Wang Group, Universidad de Michigan
En hallazgos que podrían cambiar la forma en que industrias como la energía nuclear y la aeroespacial buscan materiales que puedan resistir la exposición a la radiación, Investigadores de la Universidad de Michigan han descubierto que las aleaciones metálicas con tres o más elementos en concentraciones iguales pueden ser notablemente resistentes a la hinchazón inducida por la radiación.
El gran problema al que se enfrentan los metales bombardeados con radiación a altas temperaturas, como los metales que componen el revestimiento del combustible nuclear, es que tienden a hincharse significativamente. Incluso pueden duplicar su tamaño.
"Primero, puede interferir con otras partes de la estructura, pero también cuando se hincha, la resistencia del material cambia. La densidad del material cae, "dijo Lumin Wang, Profesor U-M de ingeniería nuclear y ciencias radiológicas. "Puede ablandarse a altas temperaturas o endurecerse a bajas temperaturas".
Esto sucede porque cuando una partícula vuela hacia el metal y golpea un átomo fuera de la estructura cristalina, ese átomo desplazado puede viajar rápidamente a través del cristal metálico. Mientras tanto, el espacio vacío que queda no se mueve muy rápido. Si se expulsan muchos átomos de la misma área, esos espacios vacíos pueden fusionarse en cavidades considerables.
Para controlar la formación de estas cavidades, y la hinchazón concomitante, La investigación más reciente se ha centrado en la creación de micro y nanoestructuras dentro del metal como "sumideros" especialmente diseñados para absorber pequeños defectos de forma que se preserve la integridad del material. Pero Wang y sus colegas lo están pateando a la vieja usanza, mirando aleaciones que no tienen roturas en la estructura cristalina de los átomos.
Un microscopio electrónico revela las cavidades inducidas por la radiación dentro de una muestra de níquel puro. Las cavidades en las aleaciones de níquel-cobalto-hierro y níquel-cobalto-hierro-cromo-manganeso son 100 veces más pequeñas. Crédito:Wang Group, Universidad de Michigan
Los colegas del Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee crearon muestras de una variedad de aleaciones a base de níquel. Luego, estos fueron expuestos a la radiación en una instalación de la Universidad de Tennessee. Las aleaciones más exitosas fueron soluciones sólidas concentradas:cristales hechos de partes iguales de níquel, cobalto y hierro; o níquel, cobalto, planchar, cromo y manganeso.
"Estos materiales tienen muchas buenas propiedades como resistencia y ductilidad, y ahora podemos agregar tolerancia a la radiación, "dijo Chenyang Lu, becario de investigación postdoctoral de la UM en ingeniería nuclear y ciencias radiológicas y autor principal del informe en Comunicaciones de la naturaleza .
En un experimento propuesto por Wang, Los investigadores de UT expusieron las muestras a haces de radiación que crearon dos niveles de daño, similar a lo que puede acumularse en el núcleo de un reactor durante varios años y durante varias décadas. Estos experimentos se realizaron a una temperatura de 500 Celsius o 932 Fahrenheit, una temperatura a la que las aleaciones a base de níquel suelen ser propensas a hincharse.
Estas muestras se analizaron en el Centro de Caracterización de Materiales de la U-M con un microscopio electrónico de transmisión. El equipo descubrió que, en comparación con el níquel puro, las mejores aleaciones tenían más de 100 veces menos daño por radiación.
Para explicar qué tenían de especial estas aleaciones, el equipo trabajó en estrecha colaboración con el grupo de Fei Gao, teórico y profesor de la UM de ingeniería nuclear y ciencias radiológicas. El grupo de Gao realizó simulaciones por computadora a nivel de átomos individuales y mostró que la tolerancia a la radiación en este grupo de aleaciones se puede atribuir a la forma en que los átomos desplazados viajan dentro del material. La explicación fue confirmada por otro conjunto de experimentos realizados por el equipo de la Universidad de Wisconsin.
Un microscopio electrónico revela las cavidades inducidas por la radiación dentro de una muestra de aleación de níquel-cobalto-hierro-cromo-manganeso. Las cavidades en níquel puro son 100 veces más grandes. Crédito:Wang Group, Universidad de Michigan
"En términos simplificados, si hay muchos átomos de diferentes tamaños, puedes considerarlos baches o baches, "Dijo Wang." Así que este defecto no viajará tan suavemente. Rebotará y se ralentizará ".
Debido a que los átomos desplazados y los agujeros en la estructura cristalina permanecieron cerca unos de otros, era mucho más probable que se encontraran. En efecto, esto reparó muchas de las vacantes en las complicadas aleaciones antes de que pudieran unirse en cavidades más grandes.
"Según este estudio, ahora entendemos cómo desarrollar una matriz tolerante a la radiación de una aleación, "Dijo Wang.
El estudio, titulado "Mejora de la tolerancia a la radiación mediante el control de la movilidad de los defectos y las vías de migración en aleaciones monofásicas de componentes múltiples, " aparece en Comunicaciones de la naturaleza .
