En bedre måde at kvantificere strålingsskader i materialer

Det var bare et stykke skrammel, der sad bagerst i et laboratorium på MIT Nuclear Reactor facilitet, klar til at blive bortskaffet. Men det blev nøglen til at demonstrere en mere omfattende måde at detektere strukturelle skader på atomare niveau i materialer - en tilgang, der vil hjælpe med udviklingen af ​​nye materialer og potentielt kunne understøtte den igangværende drift af kulstofemissionsfrie atomkraftværker, som vil hjælpe med at afhjælpe de globale klimaændringer.

En lille møtrik af titanium, der var blevet fjernet inde fra reaktoren, var netop den slags materiale, der skulle til for at bevise, at denne nye teknik, udviklet på MIT og andre institutioner, giver mulighed for at undersøge defekter, der er skabt inde i materialer, inklusive dem, der er blevet blotlagt. over for stråling, med fem gange større følsomhed end eksisterende metoder.

Den nye tilgang afslørede, at meget af den skade, der finder sted inde i reaktorer, er på atomær skala, og som følge heraf er det vanskeligt at opdage ved hjælp af eksisterende metoder. Teknikken giver en måde til direkte at måle denne skade gennem den måde, den ændrer sig med temperaturen. Og det kunne bruges til at måle prøver fra den nuværende flåde af atomreaktorer, der potentielt muliggør fortsat sikker drift af anlæg langt ud over deres nuværende licenserede levetid.

Resultaterne er rapporteret i tidsskriftet Science Advances i et papir af MIT-forskningsspecialist og nyuddannet Charles Hirst Ph.D. '22; MIT-professorerne Michael Short, Scott Kemp og Ju Li; og fem andre ved University of Helsinki, Idaho National Laboratory og University of California i Irvine.

I stedet for direkte at observere den fysiske struktur af det pågældende materiale, ser den nye tilgang på mængden af ​​energi, der er lagret i denne struktur. Enhver forstyrrelse af den ordnede struktur af atomer i materialet, såsom den, der er forårsaget af strålingseksponering eller af mekaniske belastninger, giver faktisk overskydende energi til materialet. Ved at observere og kvantificere denne energiforskel er det muligt at beregne den samlede mængde af skader i materialet – også selvom skaden er i form af atomare defekter, der er for små til at blive afbildet med mikroskoper eller andre detektionsmetoder.

Princippet bag denne metode var blevet udarbejdet i detaljer gennem beregninger og simuleringer. Men det var de faktiske tests på den ene titaniummøtrik fra MIT-atomreaktoren, der gav beviset – og dermed åbnede døren til en ny måde at måle skader i materialer på.

Metoden de brugte kaldes differential scanning kalorimetri. Som Hirst forklarer, svarer det i princippet til de kalorimetrieksperimenter, mange elever udfører i gymnasiets kemitimer, hvor de måler, hvor meget energi det kræver at hæve temperaturen på et gram vand med én grad. Systemet, forskerne brugte, var "grundlæggende nøjagtigt det samme, måling af energiske ændringer. ... Jeg kan godt lide at kalde det bare en fancy ovn med et termoelement indeni."

Scanningsdelen har at gøre med gradvist at hæve temperaturen lidt ad gangen og se hvordan prøven reagerer, og differentialdelen refererer til, at to identiske kamre måles på én gang, et tomt og et med prøven, der undersøges. . Forskellen mellem de to afslører detaljer om prøvens energi, forklarer Hirst.

"Vi hæver temperaturen fra stuetemperatur op til 600 grader Celsius, med en konstant hastighed på 50 grader i minuttet," siger han. Sammenlignet med den tomme beholder, "vil dit materiale naturligvis sakke bagud, fordi du har brug for energi til at opvarme dit materiale. Men hvis der er ændringer i energien inde i materialet, vil det ændre temperaturen. I vores tilfælde var der en energifrigivelse, når defekterne rekombinerer, og så vil det få et lille forspring på ovnen ... og det er sådan, vi måler energien i vores prøve."

Hirst, der udførte arbejdet over en femårig periode som sit doktorafhandlingsprojekt, fandt ud af, at i modsætning til hvad man havde troet, viste det bestrålede materiale, at der var to forskellige mekanismer involveret i afslapningen af ​​defekter i titanium ved de undersøgte temperaturer , afsløret af to separate peaks i kalorimetri. "I stedet for en proces, så vi tydeligt to, og hver af dem svarer til en anden reaktion, der sker i materialet," siger han.

De fandt også ud af, at lærebogsforklaringer på, hvordan strålingsskader opfører sig med temperaturen, ikke var nøjagtige, fordi tidligere tests for det meste var blevet udført ved ekstremt lave temperaturer og derefter ekstrapoleret til de højere temperaturer ved reaktordrift i det virkelige liv. "Folk var ikke nødvendigvis klar over, at de ekstrapolerede, selvom de var fuldstændig," siger Hirst.

"Faktum er, at vores fælles vidensgrundlag for, hvordan strålingsskader udvikler sig, er baseret på ekstremt lav temperatur elektronstråling," tilføjer Short. "Det blev bare den accepterede model, og det er det, der læres i alle bøgerne. Det tog os et stykke tid at indse, at vores generelle forståelse var baseret på en meget specifik betingelse, designet til at belyse videnskaben, men generelt ikke anvendelig til forhold, hvor vi faktisk ønsker at bruge disse materialer."

Nu kan den nye metode anvendes "på materialer plukket fra eksisterende reaktorer for at lære mere om, hvordan de nedbrydes under drift," siger Hirst.

"Den største enkeltstående ting, verden kan gøre for at få billig, kulstoffri strøm, er at holde de nuværende reaktorer på nettet. De er allerede betalt for, de arbejder," tilføjer Short. Men for at gøre det muligt, "den eneste måde, vi kan holde dem på nettet, er at have mere sikkerhed for, at de vil fortsætte med at fungere godt." Og det er her, denne nye måde at vurdere skader på kommer i spil.

Mens de fleste atomkraftværker har fået licens til 40 til 60 års drift, "taler vi nu om at køre de samme aktiver ud til 100 år, og det afhænger næsten fuldt ud af, at materialerne er i stand til at modstå de mest alvorlige ulykker." siger Short. Ved at bruge denne nye metode "kan vi inspicere dem og tage dem ud, før der sker noget uventet."

I praksis kunne anlægsoperatører fjerne en lille prøve af materiale fra kritiske områder af reaktoren og analysere det for at få et mere fuldstændigt billede af tilstanden af ​​den samlede reaktoren. At holde eksisterende reaktorer kørende er "den største enkeltting, vi kan gøre for at holde andelen af ​​kulstoffri strøm høj," understreger Short. "Dette er en måde, vi tror, ​​vi kan gøre det på."

Processen er ikke kun begrænset til undersøgelse af metaller, og den er heller ikke begrænset til skader forårsaget af stråling, siger forskerne. I princippet kunne metoden bruges til at måle andre former for defekter i materialer, såsom dem, der er forårsaget af spændinger eller stødbølger, og den kunne også anvendes på materialer som keramik eller halvledere.

Faktisk, siger Short, er metaller de sværeste materialer at måle med denne metode, og tidligt blev andre forskere ved med at spørge, hvorfor dette hold var fokuseret på skader på metaller. Det var dels fordi reaktorkomponenter har tendens til at være lavet af metal, og også fordi "Det er det sværeste, så hvis vi løser dette problem, har vi et værktøj til at knække dem alle!"

At måle fejl i andre slags materialer kan være op til 10.000 gange nemmere end i metaller, siger han. "Hvis vi kan gøre dette med metaller, kan vi gøre dette ekstremt, allestedsnærværende anvendeligt." Og det hele muliggjort af et lille stykke skrammel, der sad bagerst i et laboratorium.

Forskerholdet omfattede Fredric Granberg og Kai Nordlund ved Helsinki Universitet i Finland; Boopathy Kombaiah og Scott Middlemas ved Idaho National Laboratory; og Penghui Cao ved University of California i Irvine. + Udforsk yderligere

Hvordan langvarig strålingseksponering skader atomreaktorer