Uma maneira melhor de quantificar os danos causados ​​pela radiação em materiais

Apr 28, 2024

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Era apenas um pedaço de lixo nos fundos de um laboratório nas instalações do Reator Nuclear do MIT, pronto para ser descartado. Mas tornou-se a chave para demonstrar uma forma mais abrangente de detectar danos estruturais em materiais a nível atómico - uma abordagem que ajudará no desenvolvimento de novos materiais e poderá potencialmente apoiar a operação contínua de centrais nucleares isentas de emissões de carbono, que ajudaria a aliviar as alterações climáticas globais.

Uma pequena porca de titânio que foi removida do interior do reator era exatamente o tipo de material necessário para provar que esta nova técnica, desenvolvida no MIT e em outras instituições, fornece uma forma de sondar defeitos criados no interior dos materiais, incluindo aqueles que foram expostos. à radiação, com sensibilidade cinco vezes maior que os métodos existentes.

A nova abordagem revelou que muitos dos danos que ocorrem no interior dos reatores estão em escala atômica e, como resultado, são difíceis de detectar usando os métodos existentes. A técnica fornece uma maneira de medir diretamente esse dano através da forma como ele muda com a temperatura. E poderia ser usado para medir amostras da frota de reatores nucleares atualmente em operação, permitindo potencialmente a operação segura e contínua de usinas muito além de sua vida útil atualmente licenciada.

As descobertas são relatadas hoje na revista Science Advances em um artigo do especialista em pesquisa do MIT e recém-formado Charles Hirst PhD '22; os professores do MIT Michael Short, Scott Kemp e Ju Li; e cinco outros na Universidade de Helsinque, no Laboratório Nacional de Idaho e na Universidade da Califórnia em Irvine.

Em vez de observar diretamente a estrutura física de um material em questão, a nova abordagem analisa a quantidade de energia armazenada dentro dessa estrutura. Qualquer perturbação na estrutura ordenada dos átomos dentro do material, como aquela causada pela exposição à radiação ou por tensões mecânicas, na verdade transmite excesso de energia ao material. Ao observar e quantificar essa diferença de energia, é possível calcular a quantidade total de danos no material – mesmo que esses danos sejam na forma de defeitos em escala atômica que são pequenos demais para serem visualizados com microscópios ou outros métodos de detecção.

O princípio por trás deste método foi elaborado detalhadamente através de cálculos e simulações. Mas foram os testes reais daquela porca de titânio do reator nuclear do MIT que forneceram a prova – e assim abriram a porta para uma nova forma de medir danos em materiais.

O método que eles usaram é chamado de calorimetria exploratória diferencial. Como explica Hirst, isto é, em princípio, semelhante às experiências de calorimetria que muitos estudantes realizam nas aulas de química do ensino secundário, onde medem quanta energia é necessária para aumentar a temperatura de um grama de água em um grau. O sistema que os pesquisadores usaram foi “fundamentalmente exatamente a mesma coisa, medindo mudanças energéticas. … Gosto de chamá-lo apenas de um forno sofisticado com um termopar dentro.”

A parte de varredura tem a ver com aumentar gradualmente a temperatura um pouco de cada vez e ver como a amostra responde, e a parte diferencial refere-se ao fato de que duas câmaras idênticas são medidas ao mesmo tempo, uma vazia e outra contendo a amostra que está sendo estudada. . A diferença entre os dois revela detalhes da energia da amostra, explica Hirst.

“Aumentamos a temperatura ambiente até 600 graus Celsius, a uma taxa constante de 50 graus por minuto”, diz ele. Comparado ao recipiente vazio, “seu material ficará naturalmente para trás porque você precisa de energia para aquecê-lo. Mas se houver alterações na energia dentro do material, isso alterará a temperatura. No nosso caso, houve uma liberação de energia quando os defeitos se recombinaram, e então isso terá uma pequena vantagem no forno... e é assim que estamos medindo a energia em nossa amostra.”