La energía nuclear es un componente importante del futuro de energía limpia a largo plazo de nuestra nación, pero la tecnología ha sido objeto de un mayor escrutinio a raíz del reciente desastre de Fukushima en Japón. En efecto, muchas naciones han pedido controles y "pruebas de resistencia" para garantizar que las plantas nucleares funcionen de forma segura.

En los Estados Unidos, aproximadamente el 20 por ciento de nuestra electricidad y casi el 70 por ciento de la electricidad de fuentes libres de emisiones, incluidas las tecnologías renovables y las centrales hidroeléctricas, es abastecido por energía nuclear. Junto con la generación de energía, muchas de las instalaciones nucleares del mundo se utilizan para la investigación, pruebas de materiales, o la producción de radioisótopos para la industria médica. Por lo tanto, la vida útil de los componentes de materiales estructurales y funcionales en estas instalaciones es crucial para garantizar un funcionamiento confiable y seguro.

Ahora los científicos de Berkeley Lab, la Universidad de California en Berkeley, y el Laboratorio Nacional de Los Alamos han ideado una técnica de prueba a nanoescala para materiales irradiados que proporciona propiedades de resistencia a los materiales a macroescala. Esta técnica podría ayudar a acelerar el desarrollo de nuevos materiales para aplicaciones nucleares y reducir la cantidad de material necesario para las pruebas de las instalaciones que ya están en servicio.

"Las pruebas mecánicas a nanoescala siempre le brindan mayores resistencias que las de macroescala, valores a granel para un material. Este es un problema si realmente desea usar una prueba a nanoescala para decirle algo sobre las propiedades del material a granel, "dijo Andrew Minor, un científico de la facultad en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica (NCEM) y un profesor asociado en el departamento de ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley. "Hemos demostrado que en realidad se pueden obtener propiedades reales de muestras irradiadas de tan solo 400 nanómetros de diámetro, lo que realmente abre el campo de los materiales nucleares para aprovechar las pruebas a nanoescala ".

En este estudio, Minor y sus colegas realizaron pruebas de compresión de muestras de cobre irradiadas con protones de alta energía, diseñado para modelar cómo el daño de la radiación afecta las propiedades mecánicas del cobre. Mediante el uso de un dispositivo de prueba mecánico in situ especializado en un microscopio electrónico de transmisión en NCEM, el equipo pudo examinar, con una resolución a nanoescala, la naturaleza de la deformación y cómo se localizó en unos pocos planos atómicos.

Los defectos tridimensionales dentro del cobre creados por la radiación pueden bloquear el movimiento de defectos unidimensionales en la estructura cristalina, llamadas dislocaciones. Esta interacción hace que los materiales irradiados se vuelvan frágiles, y altera la cantidad de fuerza que puede soportar un material antes de que finalmente se rompa. Al traducir los valores de resistencia a nanoescala en propiedades a granel, esta técnica podría ayudar a los diseñadores de reactores a encontrar materiales adecuados para componentes de ingeniería en plantas nucleares.

"Esta técnica de prueba a pequeña escala podría ayudar a extender la vida útil de un reactor nuclear, "dijo el coautor Peter Hosemann, profesor asistente en el departamento de ingeniería nuclear de UC Berkeley. "Al utilizar una muestra más pequeña, limitamos cualquier problema de seguridad relacionado con el manejo del material de prueba y podríamos medir potencialmente las propiedades exactas de un material que ya se está utilizando en una instalación nuclear de 40 años para asegurarnos de que esta estructura dure en el futuro ".

Menor agrega, "Comprender cómo fallan los materiales es una cuestión mecanicista fundamental. Este estudio de prueba de principio nos brinda un sistema modelo a partir del cual ahora podemos comenzar a explorar lo real, materiales prácticos aplicables a la energía nuclear. Al comprender el papel de los defectos en las propiedades mecánicas de los materiales de los reactores nucleares, podemos diseñar materiales que sean más resistentes al daño por radiación, conduciendo a tecnologías nucleares más avanzadas y seguras ".