Teknik kunne løbende vurdere ældning af materialer i et miljø med høj stråling, i realtid

Materialer, der udsættes for et miljø med høj stråling, såsom indersiden af ​​et atomreaktorbeholder, kan gradvist nedbrydes og svækkes. Men for at bestemme præcis, hvor meget skade disse materialer lider, kræver det generelt at fjerne en prøve og teste den i specialiserede faciliteter, en proces, der kan tage uger.

En analysemetode udviklet af forskere i Institut for Kemi ved MIT og anvendt af medlemmer af MITs Mesoscale Nuclear Materials Laboratory kunne ændre det, potentielt muliggør kontinuerlig overvågning af disse materialer uden behov for at fjerne dem fra deres strålingsmiljø. Dette kunne i høj grad fremskynde testprocessen og reducere den forebyggende udskiftning af materialer, der faktisk er sikre og anvendelige.

Resultaterne bliver rapporteret i denne uge i tidsskriftet Fysisk gennemgang B , i et papir af kandidatstuderende Cody Dennett, assisterende professor i nuklear videnskab og teknik Michael Short, og seks andre.

Når det kommer til måling af strålingsskader i materialer, Short siger, "de fleste af de nuværende måder er langsomme og dyre." For eksempel, den metode, der anses for at være den gyldne standard for sådanne tests, transmissionselektronmikroskopi (TEM), producerer omfattende data om mange af de fejl i materialet, der er ansvarlige for ændringer i dets egenskaber. Men ikke alle de fejl, der påvirker materialets egenskaber, kan ses i TEM, så testen giver ikke fuldstændige data.

"Vi er ikke kun interesserede i, hvor mange tomrum eller ledige stillinger du har, "Short siger, henviser til steder, hvor et eller flere atomer mangler i materialets krystalgitter. "Det, vi virkelig ønsker at vide, er, hvordan materialets egenskaber ændrer sig."

Holdet fandt svaret i en teknik kaldet transient gitterspektroskopi. I det væsentlige, dette er en måde at måle materialers termiske og elastiske egenskaber ved at inducere og overvåge akustiske bølger på materialets overflade. Selvom systemet kun "ser" den ydre overflade af materialerne, disse akustiske vibrationer påvirkes af underjordiske defekter i materialets struktur. Effekten ligner den måde, geologer kan konstruere et billede af Jordens indre lag ved at studere den måde, seismiske bølger udbreder sig i forskellige retninger.

Systemet skaber disse akustiske oscillationer ved at bruge to pulserende laserstråler rettet mod prøven på en sådan måde, at lysbølgerne fra de to stråler forårsager et interferensmønster. Dette interferensmønster forårsager opvarmning af prøveoverfladen, genererer en stående akustisk bølge. Bevægelsen af ​​overfladen forårsaget af denne bølge kan overvåges af et andet sæt lasere. "Vi skaber rislende akustiske bølger, "Short siger, "og mål, hvor hurtigt de bevæger sig, og hvor hurtigt de forfalder, " uden at komme i fysisk kontakt med materialet på nogen måde.

Holdets arbejde stod i begyndelsen over for en vis skepsis. "Folk sagde 'hvordan ved du, at [denne teknik] er følsom nok?'" siger Short. Men med omhyggelige eksperimenter, der "næsten perfekt" matchede teoretiske simuleringer, de viste den nødvendige følsomhed, han siger. "De kritiske spørgsmål var vigtige for os at høre, og motiverede os til at gennemføre denne undersøgelse."

For en test, holdet sammenlignede to partier af aluminiumsprøver, der var sammensat af perfekte enkeltkrystaller med forskellige overfladeorienteringer. Selvom det indre atomarrangement var anderledes, "de så identiske ud med øjet eller i mikroskopet, " siger han. "Vi lægger dem alle i vores enhed, og vi var i stand til at sortere dem alle sammen."

For at følge op på deres indledende arbejde, forskerne arbejder nu på at bevise deres tekniks følsomhed over for små defekter i et materiales struktur. "Vi skaber simple defekter og måler derefter signalerne, at forudsige virkningen, "Short siger. "Vi vil gerne vise, hvor følsomme vi kan blive."

Holdet brugte forskellige materialer i deres test, men fokuserede mest på enkelt-krystal aluminium. De valgte det materiale, fordi det var et af de mest udfordrende, Kort forklarer. "Når du roterer prøven, dens akustiske respons ændrer sig" på grund af den anderledes justering af krystalstrukturen til de laserinducerede akustiske overfladebølger. "Men den ændrer sig meget lidt. Så hvis vi kan fornemme disse subtile ændringer i bølgehastigheden i aluminium, så er vi velforberedte til at måle strålingseffekter" i andre materialer. Resultaterne af disse test viste, at deres enhed er følsom nok til at registrere ændringer i akustiske bølgehastigheder så små som en tiendedel af 1 procent. Og den kan levere sine svarer "på få sekunder, versus måneder eller år" for eksisterende metoder.

Metoden, som forskerne udviklede til direkte at simulere transient gitterspektroskopi, er lige så vigtig som selve målingerne, de siger. Ved hjælp af omhyggelige simuleringer af molekylær dynamik, forskerne var i stand til nøjagtigt at forudsige den forventede reaktion af kobber og aluminium, og bekræfte denne forudsigelse med målinger. "Den mest kraftfulde implikation for disse simuleringer, "Short siger, "er, at vi kan skabe nye strukturer i computeren og forudsige deres signaler. Nogle defekter er for komplekse til, at vi kan forudsige deres signaler alene ved hjælp af teori. Det er her simulering kommer ind." Evnen til at bruge simulering til at forklare eksperimentelle målinger på atomær skala er også "ekstremt oplysende, " han siger.

"Nu, vi kan tage et datapunkt cirka hvert femte minut, hvor du normalt ville få nogle få datapunkter om måneden, " siger han. At hurtigere test kunne være afgørende for at muliggøre udviklingen af ​​nye generationer af beklædningsmateriale til nukleart brændsel til avancerede nye reaktorer, han siger. "Nu, den største ulempe ved at installere nye reaktorer er materialer, og den største ulempe ved det er testning. Hvis vi kan gå fra måneder til sekunder, vi kan komme uden om den flaskehals."

Selvom deres indledende test blev udført med større laboratorieopsætninger, Short siger, at det burde være ret ligetil at gengive disse funktioner i en lille, bærbar enhed, der kan transporteres rundt til feltforsøg eller permanent monteres i strategiske overvågningspunkter i et reaktorbeholder.

"Dette er et fantastisk stykke arbejde med en god kombination af eksperimentelt og modelleringsarbejde, siger Felix Hoffman, en lektor i ingeniørvidenskab ved Oxford University i U.K., som ikke var involveret i dette arbejde.

"Transient Grating (TG) metoder giver et fantastisk nyt alternativ til traditionelle teknikker til måling af strålingsskader, da de er hurtige, ikke-destruktiv, og kræver ikke meget til prøveforberedelse andet end en poleret overflade, " siger han. "Dette er i skarp kontrast til TEM, atom sonde, eller mikromekanik, der kræver lang prøveforberedelse. ... Hvis systemet kan miniaturiseres og gøres tilstrækkeligt bærbart til at tillade in situ målinger, dette ville åbne enorme muligheder for at undersøge materielle egenskabers udvikling på grund af bestråling."

"Forfatterne har påvist et betydeligt og alsidigt fremskridt inden for overvågning og kvantificering af punktdefekter i mesoskala-volumener, " siger Steven Zinkle, formand for afdelingen for nuklear engineering ved University of Tennessee, som heller ikke var involveret i dette arbejde. "Med yderligere forfining, " han siger, "den nyudviklede TG-spektroskopiteknik kan føre til en forbedret forståelse af defektudviklinger i realtid, der forekommer i en lang række rene materialer og tekniske legeringer under eksponering for ionstrålebehandling eller neutronbombardement under energiproduktion i atomreaktorer."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.