En ny bly på et 50-årigt mysterium om strålingsskader

I et halvt århundrede, forskere har set sløjfer af fordrevne atomer dukke op i atomreaktorstål efter udsættelse for stråling, men ingen kunne finde ud af hvordan.

Nu, en simulering udført af forskere ved University of Michigan, Hunan University (Kina) og Rensselaer Polytechnic Institute har vist, at en stødbølge producerer disse sløjfer i jern. Resultatet kunne hjælpe ingeniører med at designe bedre strålingsresistent stål til reaktorer-eller stærkere stål generelt.

Jern og stål, som de fleste metaller, organisere sig i et krystalgitter - et arrangement af atomer baseret på et gentaget mønster. I dette tilfælde, det er en terning med et atom i hvert hjørne og en i midten. Stråling og andre belastninger kan skabe en række defekter.

I "loop" defekter, de stedvis atomer danner grove ringe. Nogle sløjfer kan rejse gennem gitteret, og deres mobilitet betyder, at de ikke kommer i vejen for stålbøjningen. Men den pågældende defekt (kendt som a <100> interstitiel dislokationssløjfe) har en tendens til at blive siddende. Placeret på en ukontrolleret måde, disse stationære sløjfer forårsager skørhed, men hvis de blev placeret bevidst, de kunne styrke stål ved at forbedre dets stivhed.

"Nu hvor vi kender mekanismen, vi kan reducere strålingsskader ved at begrænse energien i partiklerne, som materialer udsættes for, "sagde Qing Peng, en stipendiat i laboratoriet af Fei Gao, professor i atomteknik og radiologiske videnskaber.

"Vi kan også bruge det til at konstruere defekten indeni materialer. Afhængigt af energien, du kan generere forskellige typer dislokationer for at justere materialets egenskaber. "

Fem tidligere forklaringer er i gang med at redegøre for de mystiske sløjfer, men ingen er særlig tilfredsstillende, fordi de alle kræver særlige forhold og relativt lange tidspunkter for at skabe sløjferne.

Da fejlene forekommer for hurtigt til at måle, forskere forventede, at de ville kunne simulere mekanismen på en computer. Men det skete heller ikke. De formodede, at det tog for lang tid at kortlægge deres realtidsbaner - der var bare ikke strøm nok til at simulere alle disse atomer på en rimelig tid.

Den sidste observation viste sig at være delvist sand:der var for mange atomer til at modellere. Men selve processen var kort; problemet var at gøre jernmængden stor nok til at få reaktionen.

"Hvis simuleringen er for lille, en højenergipartikel passerer bare igennem. Ingen reaktion, "Sagde Peng.

Gaos team skabte en computermodel af en kasse med 200 millioner jernatomer, arrangeret i det typiske gitter, og smækkede en højenergipartikel ind i den. Det, de så, var en kraftig stødbølge, der flængede gennem gitteret, forgrener sig i forskellige retninger.

Millioner af jernatomer blev fortrængt fra deres pletter, og millioner af dem faldt tilbage i gitteret, da bølgen forsvandt. Efterladt var hundredvis af "punkt" -defekter, hvor enkeltatomer var malplacerede - og en håndfuld sløjfer. Mange af disse var sløjfer, der kan rejse, som ikke er en væsentlig årsag til skørhed, men ofte var en eller to den stationære type.

Det viste sig, at sløjferne blev skabt i den første chokbølge, en proces, der kun tager 13 billioner af et sekund eller deromkring. Denne forklaring blev fremsendt allerede for 40 år siden, men det blev brugt til at forklare fejl, der optrådte i linjer frem for lukkede sløjfer.

Nu hvor mekanismen er kendt, lignende computermodeller kan bruges til at anbefale driftsbetingelser for stållegeringer i miljøer med stråling. Mindre energiske partikler vil ikke skabe stødbølger, der er stærke nok til at producere denne defekt.

Eller, fejl som denne kan bevidst placeres i stål for at øge dens stivhed. Disse stationære sløjfer af atomer, fastklemt mellem andre atomer i krystallen, gøre det sværere for stål at bøje.