Fra superforseglinger til detektering af farlige kabler takket være ionstråler

Når accelererede neutroner eller ioner bombarderer et materiale, gennemgår dets overfladelag dramatiske fysiske og kemiske transformationer. Det Nationale Center for Nuklear Forskning i Swierk, Polen, har formået at lære i detaljer om de processer, der forekommer i sådanne situationer i polymerer. Den indsamlede viden blev brugt af fysikere til at skabe en metode til fremstilling af superforseglinger, de foreslog også en enkel og hurtig måde at opdage farlige kabler, hvis polymerisolering begynder at miste deres isolerende egenskaber.

Den sikre og pålidelige drift af atomreaktorer, og i fremtiden også af fusionsreaktorer, afhænger strengt af kvaliteten af ​​deres kabelføring. Forskning udført ved National Center for Nuclear Research (NCBJ) i Świerk, Polen, viser imidlertid, at polymerkabelisoleringer, der er udsat for høje strålingsdoser i årtier, gradvist mister deres isolerende egenskaber. En gruppe fysikere fra NCBJ, ledet af prof. Jacek Jagielski, lærte ikke kun detaljerne i denne proces at kende, men foreslog også en letanvendelig teknik til at opdage farlige kabler.

Teamet af Prof. Jagielski har beskæftiget sig med spørgsmål relateret til ændring af overfladelaget af materialer med ionstråler i lang tid. For et par år siden blev forskernes opmærksomhed henledt på polymertætninger. Et af de polske firmaer var på det tidspunkt i problemer på grund af tætningerne i det fremstillede militærudstyr. Maskinerne blev eksporteret til et land med et tropisk og regnfuldt klima. Tætningerne i motorer i Polen, der fungerede uden større problemer, begyndte at overophedes og lække under de nye forhold. I mellemtiden tvang kontrakten producenten til at udskifte hele den defekte kraftenhed på grund af en pakning.

Overophedning af pakninger, der anvendes i bevægelige mekanismer, er en konsekvens af den høje friktionskoefficient for de polymerer, som de generelt er fremstillet af. Gruppen af ​​Prof. Jagielski besluttede at kontrollere, om ionbestråling påvirker friktionskoefficienten. Det viste sig, at et tyndt overfladelag af polymer, omkring en mikrometer tykt, hærder betydeligt som følge af bombardement. Dens friktionskoefficient faldt endda ti gange – og dette på trods af, at den hurtigt dækkede med et netværk af revner.

En væsentlig reduktion i værdien af ​​friktionskoefficienten for polymerpakninger betyder i praksis en reduktion af slid på mekaniske elementer. Mekanismer udstyret med modificerede pakninger vil derfor ikke kun virke længere, men også mere effektivt, især da overfladerevnerne kan bruges som reservoirer af smøremiddel. I nogle tilfælde, såsom pneumatiske aktuatorer, kan maskinen arbejde hurtigere, hvilket fører til øget produktivitet.

"Under forskningen i pakninger bemærkede vi, at de elektriske egenskaber af polymerer begyndte at ændre sig på grund af strålingsfejl," siger prof. Jagielski. "Så det virkede naturligt at stille et andet spørgsmål:hvad sker der med isoleringen af ​​kabler, der er udsat for stråling, hvis deres isolering også er lavet af polymerer?"

Spørgsmålet kan virke nicheagtigt, men det får en anden betydning på et tidspunkt, hvor effektiviteten og sikkerheden af ​​atomenergi begynder at blive værdsat igen. Moderne atomkraftværker er designet med mindst 60 års drift i tankerne, oftere og oftere med mulighed for at udvide op til hundrede. Samtidig skal hver reaktor udstyres med flere tusinde kilometer mindre og større kabler. Nogle af dem vil blive udsat for neutronbombardement frigivet under nukleare reaktioner i årtier. I denne situation bliver spørgsmålet om skæbnen for de polymerer, der garanterer deres isolering, et spørgsmål om energisikkerheden for millioner af mennesker.

I atomreaktorer udsættes materialer for neutroner og gammastråling. Det overvældende flertal af defekter i det bestrålede materiale er dog ikke forårsaget direkte af neutroner eller fotoner, men af ​​de atomer, de slår ud, eller de ødelagte atombindinger. I praksis adskiller materielle defekter forårsaget af neutroner sig derfor ikke væsentligt fra dem, der initieres af ioner. I stedet for at udføre besværlig forskning i reaktoren, kunne NCBJ-teamet bruge en prototype industriel ionimplantator af deres eget design.

Sådanne isoleringsmaterialer som polyvinylchlorid (PVC), teflon (PTFE) og forskellige typer gummi (naturligt, EPDM, NBR, SBR) blev bestrålet. Forskere var interesserede i den kemiske sammensætning af det modificerede overfladelag, dets fysiske struktur og overfladetopografi. Resultaterne af målingerne og deres konklusioner er netop blevet præsenteret i en omfattende artikel offentliggjort i Journal of Applied Physics .

"Polymerer er hovedsageligt sammensat af kulstof og brint," forklarer Anna Kosińska, den første forfatter til ovennævnte artikel, Ph.D. studerende. "Båndene mellem disse grundstoffer er blandt de svageste, og de brydes under bombardement med hurtige ioner. Det frigivne brintatom fanger sin kollega fra miljøet og undslipper i molekylær form fra materialet og ud i miljøet. Det, der er tilbage er amorft kulstof. ligner adamantit, som er i stand til at lede elektricitet. Alt dette betyder tilsammen, at polymerisoleringen af ​​kabler, der udsættes for stråling, vil miste deres isolerende egenskaber over tid."

NCBJ-fysikernes opmærksomhed blev henledt på det faktum, at polymerens overfladelag begynder at krympe på grund af frigivelsen af ​​brint. Som et resultat bliver det tættere end originalen og op til ti gange hårdere end originalen. Meticulous research has established that there is a clear correlation between the changes in the mechanical properties of the cable insulation and its electrical resistance. In order to find out if the insulation is working properly, it is enough to measure the hardness of the cable insulation with a hand-held hardness tester.

"We realize that the method we propose to detect changes in the electrical resistance of polymer insulations is not perfectly precise. However, it has very significant functional advantages:it is simple, fast and allows you to almost immediately determine whether the tested cable becomes dangerous," says Prof. Jagielski. + Udforsk yderligere

Researchers discover mechanism behind influence of irradiation defects on tritium permeation barrier