Era solo un pedazo de chatarra que se encontraba en la parte trasera de un laboratorio en las instalaciones del Reactor Nuclear del MIT, listo para ser desechado. Pero se convirtió en la clave para demostrar una forma más integral de detectar daños estructurales a nivel atómico en los materiales, un enfoque que ayudará al desarrollo de nuevos materiales y podría respaldar potencialmente la operación en curso de plantas de energía nuclear libres de emisiones de carbono, que ayudaría a mitigar el cambio climático global.

Una pequeña tuerca de titanio que se había extraído del interior del reactor era justo el tipo de material necesario para demostrar que esta nueva técnica, desarrollada en el MIT y en otras instituciones, proporciona una forma de sondear los defectos creados en el interior de los materiales, incluidos los que han quedado expuestos. a la radiación, con una sensibilidad cinco veces mayor que los métodos existentes.

El nuevo enfoque reveló que gran parte del daño que ocurre dentro de los reactores es a escala atómica y, como resultado, es difícil de detectar utilizando los métodos existentes. La técnica proporciona una forma de medir directamente este daño a través de la forma en que cambia con la temperatura. Y podría usarse para medir muestras de la flota de reactores nucleares actualmente en funcionamiento, lo que podría permitir la operación continua y segura de las plantas mucho más allá de sus vidas útiles actualmente autorizadas.

Los hallazgos se informan en la revista Science Advances en un artículo del especialista en investigación del MIT y recién graduado Charles Hirst Ph.D. '22; los profesores del MIT Michael Short, Scott Kemp y Ju Li; y otros cinco en la Universidad de Helsinki, el Laboratorio Nacional de Idaho y la Universidad de California en Irvine.

En lugar de observar directamente la estructura física de un material en cuestión, el nuevo enfoque analiza la cantidad de energía almacenada dentro de esa estructura. Cualquier interrupción de la estructura ordenada de los átomos dentro del material, como la causada por la exposición a la radiación o por tensiones mecánicas, en realidad imparte un exceso de energía al material. Al observar y cuantificar esa diferencia de energía, es posible calcular la cantidad total de daño dentro del material, incluso si ese daño es en forma de defectos a escala atómica que son demasiado pequeños para ser fotografiados con microscopios u otros métodos de detección.

El principio detrás de este método se había desarrollado en detalle a través de cálculos y simulaciones. Pero fueron las pruebas reales en esa tuerca de titanio del reactor nuclear del MIT las que proporcionaron la prueba y, por lo tanto, abrieron la puerta a una nueva forma de medir el daño en los materiales.

El método que utilizaron se llama calorimetría diferencial de barrido. Como explica Hirst, esto es similar en principio a los experimentos de calorimetría que muchos estudiantes realizan en las clases de química de la escuela secundaria, donde miden cuánta energía se necesita para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado. El sistema que usaron los investigadores era "básicamente exactamente lo mismo, midiendo los cambios energéticos... Me gusta llamarlo simplemente un horno elegante con un termopar adentro".

La parte de escaneo tiene que ver con aumentar gradualmente la temperatura poco a poco y ver cómo responde la muestra, y la parte diferencial se refiere al hecho de que se miden dos cámaras idénticas a la vez, una vacía y otra que contiene la muestra que se está estudiando. . La diferencia entre los dos revela detalles de la energía de la muestra, explica Hirst.

"Elevamos la temperatura desde la temperatura ambiente hasta los 600 grados centígrados, a un ritmo constante de 50 grados por minuto", dice. En comparación con el recipiente vacío, "su material naturalmente se quedará atrás porque necesita energía para calentar su material. Pero si hay cambios en la energía dentro del material, eso cambiará la temperatura. En nuestro caso, hubo una liberación de energía cuando los defectos se recombinan, y luego tendrá un poco de ventaja en el horno... y así es como estamos midiendo la energía en nuestra muestra".

Hirst, que realizó el trabajo durante cinco años como proyecto de tesis doctoral, descubrió que, contrariamente a lo que se creía, el material irradiado mostró que había dos mecanismos diferentes involucrados en la relajación de los defectos del titanio a las temperaturas estudiadas. , revelado por dos picos separados en calorimetría. "En lugar de que ocurra un proceso, claramente vimos dos, y cada uno de ellos corresponde a una reacción diferente que está ocurriendo en el material", dice.

También descubrieron que las explicaciones de los libros de texto sobre cómo se comporta el daño por radiación con la temperatura no eran precisas, porque las pruebas anteriores se habían llevado a cabo principalmente a temperaturas extremadamente bajas y luego se habían extrapolado a las temperaturas más altas de las operaciones del reactor de la vida real. "La gente no era necesariamente consciente de que estaba extrapolando, aunque lo estaba, por completo", dice Hirst.

"El hecho es que nuestra base de conocimiento común sobre cómo evoluciona el daño por radiación se basa en la radiación de electrones a temperaturas extremadamente bajas", agrega Short. "Simplemente se convirtió en el modelo aceptado, y eso es lo que se enseña en todos los libros. Nos tomó un tiempo darnos cuenta de que nuestra comprensión general se basaba en una condición muy específica, diseñada para dilucidar la ciencia, pero generalmente no aplicable a las condiciones en las que realmente quiero usar estos materiales".

Ahora, el nuevo método se puede aplicar "a los materiales extraídos de los reactores existentes, para obtener más información sobre cómo se degradan con la operación", dice Hirst.

"Lo más grande que el mundo puede hacer para obtener energía barata y libre de carbono es mantener los reactores actuales en la red. Ya están pagados, están funcionando", agrega Short. Pero para que eso sea posible, "la única forma en que podemos mantenerlos en la parrilla es tener más certeza de que seguirán funcionando bien". Y ahí es donde entra en juego esta nueva forma de evaluar los daños.

Si bien la mayoría de las plantas de energía nuclear tienen licencias para 40 a 60 años de operación, "ahora estamos hablando de operar esos mismos activos por 100 años, y eso depende casi por completo de que los materiales sean capaces de soportar los accidentes más severos". Corto dice. Con este nuevo método, "podemos inspeccionarlos y sacarlos antes de que suceda algo inesperado".

En la práctica, los operadores de la planta podrían extraer una pequeña muestra de material de las áreas críticas del reactor y analizarla para obtener una imagen más completa del estado general del reactor. Mantener los reactores existentes en funcionamiento es "lo más importante que podemos hacer para mantener alta la proporción de energía libre de carbono", enfatiza Short. "Esta es una forma en que creemos que podemos hacer eso".

El proceso no se limita solo al estudio de los metales, ni se limita al daño causado por la radiación, dicen los investigadores. En principio, el método podría usarse para medir otros tipos de defectos en los materiales, como los causados ​​por tensiones u ondas de choque, y también podría aplicarse a materiales como la cerámica o los semiconductores.

De hecho, dice Short, los metales son los materiales más difíciles de medir con este método, y desde el principio otros investigadores preguntaron por qué este equipo se centró en el daño a los metales. Eso se debió en parte a que los componentes del reactor tienden a estar hechos de metal y también a que "es el más difícil, así que, si resolvemos este problema, ¡tenemos una herramienta para resolverlos todos!"

La medición de defectos en otros tipos de materiales puede ser hasta 10.000 veces más fácil que en los metales, dice. "Si podemos hacer esto con los metales, podemos hacer que esto sea extremadamente aplicable de manera ubicua". Y todo gracias a una pequeña pieza de chatarra que estaba en la parte trasera de un laboratorio.

El equipo de investigación incluyó a Fredric Granberg y Kai Nordlund de la Universidad de Helsinki en Finlandia; Boopathy Kombaiah y Scott Middlemas en el Laboratorio Nacional de Idaho; y Penghui Cao de la Universidad de California en Irvine. + Explora más

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