Para evaluar la capacidad de un material para resistir el entorno de alta radiación dentro de un reactor nuclear, Los investigadores han utilizado tradicionalmente un método conocido como "cocinar y mirar, "lo que significa que el material se expone a una alta radiación y luego se extrae para un examen físico. Pero ese proceso es tan lento que inhibe el desarrollo de nuevos materiales para futuros reactores.

Ahora, investigadores del MIT y Sandia National Laboratories han desarrollado, probado, y puso a disposición un nuevo sistema que puede monitorear continuamente los cambios inducidos por la radiación, proporcionando datos más útiles mucho más rápido que los métodos tradicionales.

Con muchas plantas nucleares acercándose al final de su vida útil según las regulaciones actuales, Conocer el estado de los materiales en su interior puede ser fundamental para comprender si su funcionamiento se puede extender de forma segura. y si es así por cuánto.

El nuevo sistema basado en láser se puede utilizar para observar cambios en las propiedades físicas de los materiales, como su elasticidad y difusividad térmica, sin destruirlos ni alterarlos, dicen los investigadores. Los hallazgos se describen en la revista Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B en un artículo del estudiante de doctorado del MIT Cody A. Dennett, profesor de ciencia e ingeniería nucleares Michael P. Short, y el tecnólogo Daniel L. Buller y el científico Khalid Hattar de Sandia.

El nuevo sistema basado en una tecnología llamada espectroscopia de rejilla transitoria, utiliza rayos láser para sondear cambios mínimos en la superficie de un material que pueden revelar detalles sobre cambios en la estructura del interior del material. Hace dos años, Dennett y Short adaptaron el enfoque para monitorear los efectos de la radiación. Ahora, después de extensas pruebas, el sistema está listo para ser utilizado por investigadores que exploran el desarrollo de nuevos materiales para reactores de próxima generación, o aquellos que buscan extender la vida útil de los reactores existentes a través de una mejor comprensión de cómo los materiales se degradan con el tiempo bajo el severo entorno de radiación dentro de las vasijas de los reactores.

La antigua forma de probar los materiales para determinar su respuesta a la radiación era exponer el material durante cierto tiempo, luego sácalo y hazlo pedazos para ver qué sucedió, "Explica Dennett. En cambio, "Queríamos ver si se podía detectar lo que le sucedía al material durante el proceso, e inferir cómo está cambiando la microestructura ".

El método de espectroscopia de rejilla transitoria ya había sido desarrollado por otros, pero no se había utilizado para buscar los efectos del daño por radiación, como cambios en la capacidad del material para conducir calor y responder a tensiones sin agrietarse. Adaptar la técnica a los entornos únicos y duros de la radiación requirió años de desarrollo.

Para simular los efectos del bombardeo de neutrones, el tipo de radiación que causa la mayor parte de la degradación del material en el entorno de un reactor, los investigadores suelen utilizar haces de iones, que producen un tipo de daño similar pero son mucho más fáciles de controlar y más seguro para trabajar. El equipo utilizó una instalación de acelerador de iones de 6 megavoltios en Sandia como base para el nuevo sistema. Estos tipos de instalaciones aceleran las pruebas porque pueden simular años de exposición operativa a neutrones en solo unas pocas horas.

Al utilizar la capacidad de monitoreo en tiempo real de este sistema, Dennett dice:es posible señalar el momento en que los cambios físicos en el material comienzan a acelerarse, que tiende a ocurrir de forma bastante repentina y progresa rápidamente. Al detener el experimento justo en ese punto, Entonces es posible estudiar en detalle lo que sucede en este momento crítico. "Esto nos permite apuntar a cuáles son las razones mecánicas detrás de estos cambios estructurales, " él dice.

Short dice que el sistema podría realizar estudios detallados del rendimiento de un material dado en cuestión de horas, mientras que, de lo contrario, podría llevar meses pasar por la primera iteración para encontrar el punto en el que se produce la degradación. Para una caracterización completa, los métodos convencionales "podrían tardar medio año, versus un día "usando el nuevo sistema, él dice.

En sus pruebas del sistema, El equipo utilizó dos metales puros, níquel y tungsteno, pero la instalación se puede utilizar para probar todo tipo de aleaciones, así como metales puros. y también podría probar muchos otros tipos de materiales, dicen los investigadores. "Una de las razones por las que estamos tan emocionados aquí, "Dennett dice, es que cuando han descrito este método en congresos científicos, "Todos con los que hemos hablado dicen '¿puedes probarlo con mi material?' Todos tienen una idea de lo que sucederá si pueden probar lo suyo, y luego pueden avanzar mucho más rápido en su investigación ".

Las medidas reales realizadas por el sistema, que estimula las vibraciones en el material usando un rayo láser y luego usa un segundo láser para observar esas vibraciones en la superficie, sondear directamente la rigidez elástica y las propiedades térmicas del material, Dennett explica. Pero esa medición se puede utilizar para extrapolar otras características relacionadas, incluida la acumulación de defectos y daños, él dice. "Es lo que te dicen sobre los mecanismos subyacentes" lo más significativo.

La instalación única, ahora en funcionamiento en Sandia, es también objeto de trabajo continuo por parte del equipo para mejorar aún más sus capacidades, Dice Dennett. "Es muy mejorable, " él dice, agregando que esperan agregar más herramientas de diagnóstico diferentes para probar más propiedades de los materiales durante la irradiación.

El trabajo es "un enfoque de ingeniería inteligente que permitirá a los investigadores caracterizar la respuesta de una variedad de materiales al daño por irradiación, "dice Laurence J. Jacobs, profesor y decano asociado de asuntos académicos en Georgia Tech, que no participó en el estudio. Dice que es "una investigación sobresaliente sobre una persona sin contacto, técnica de evaluación no destructiva que permite el análisis en tiempo real, seguimiento in situ de las propiedades mecánicas de un material sometido a irradiación con haz de iones ".

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.