Le radiazioni degradano quasi sempre i materiali ad esse esposti, accelerando il loro deterioramento e richiedendo la sostituzione di componenti chiave in ambienti ad alta radiazione come i reattori nucleari. Ma per alcune leghe che potrebbero essere utilizzate nei reattori a fissione o fusione, è vero il contrario:i ricercatori del MIT e della California hanno scoperto che invece di accelerare la degradazione del materiale, la radiazione migliora effettivamente la sua resistenza, potenzialmente raddoppiando la vita utile del materiale.

La scoperta potrebbe essere un vantaggio per alcuni nuovi, progetti di reattori all'avanguardia, compresi i reattori a fissione raffreddati a sale fuso, e nuovi reattori a fusione come il progetto ARC sviluppato da MIT e Commonwealth Fusion Systems.

Il ritrovamento, che è stata una sorpresa per gli scienziati nucleari, è riportato oggi sul giornale Comunicazioni sulla natura , in un articolo del professore di scienze e ingegneria nucleare del MIT Michael Short, studente laureato Weiyue Zhou, e altri cinque al MIT e al Lawrence Berkeley National Laboratory.

Short dice che la scoperta è stata un po' di serendipità; infatti, i ricercatori stavano cercando di quantificare l'effetto opposto. Inizialmente volevano determinare la quantità di radiazioni che avrebbero aumentato il tasso di corrosione in alcune leghe di nichel e cromo che possono essere utilizzate come rivestimento per assemblaggi di combustibili nucleari.

Gli esperimenti erano difficili da eseguire, perché è impossibile misurare le temperature direttamente all'interfaccia tra il sale fuso, usato come refrigerante, e la superficie in lega metallica. Quindi era necessario capire le condizioni indirettamente circondando il materiale con una batteria di sensori. Sin dall'inizio, anche se, i test hanno mostrato segni dell'effetto opposto:corrosione, la causa principale del guasto dei materiali nell'ambiente ostile di un reattore, sembrava essere ridotto piuttosto che accelerato quando era immerso nelle radiazioni, in questo caso un elevato flusso di protoni.

"Lo abbiamo ripetuto decine di volte, con condizioni diverse, " Breve dice, "e ogni volta abbiamo ottenuto gli stessi risultati" mostrando corrosione ritardata.

Il tipo di ambiente del reattore che il team ha simulato nei loro esperimenti prevede l'uso di sodio fuso, litio, e sale di potassio come refrigerante sia per le barre di combustibile nucleare in un reattore a fissione sia per il recipiente a vuoto che circonda un supercaldo, plasma vorticoso in un futuro reattore a fusione. Dove il sale fuso caldo è a contatto con il metallo, la corrosione può avvenire rapidamente, ma con queste leghe di nichel-cromo hanno scoperto che la corrosione impiegava il doppio del tempo per svilupparsi quando il materiale veniva immerso nella radiazione di un acceleratore di protoni, producendo un ambiente radiante simile a quello che si troverebbe nei reattori proposti.

Essere in grado di prevedere in modo più accurato la durata utile dei componenti critici del reattore potrebbe ridurre la necessità di preventivi, sostituzione anticipata di parti, Breve dice.

Attenta analisi delle immagini delle superfici della lega interessate mediante microscopia elettronica a trasmissione, dopo aver irradiato il metallo a contatto con il sale fuso a 650 gradi Celsius, (una tipica temperatura di esercizio per il sale in tali reattori), ha contribuito a rivelare il meccanismo che ha causato l'effetto inaspettato. La radiazione tende a creare difetti più piccoli nella struttura della lega, e questi difetti permettono agli atomi del metallo di diffondersi più facilmente, che scorre per riempire rapidamente i vuoti creati dal sale corrosivo. In effetti, il danno da radiazioni promuove una sorta di meccanismo di autoguarigione all'interno del metallo.

C'erano stati indizi di un tale effetto mezzo secolo fa, quando gli esperimenti con un primo reattore sperimentale a fissione raffreddato a sale hanno mostrato una corrosione inferiore al previsto nei suoi materiali, ma le ragioni di ciò erano rimaste un mistero fino a questo nuovo lavoro, Breve dice. Anche dopo i primi risultati sperimentali di questa squadra, breve dice, "Ci è voluto molto più tempo per capirlo."

La scoperta potrebbe essere rilevante per una varietà di nuovi progetti proposti per reattori che potrebbero essere più sicuri ed efficienti rispetto ai progetti esistenti, Breve dice. Sono stati proposti diversi progetti per reattori a fissione raffreddati a sale, incluso uno da un team guidato da Charles Forsberg, uno dei principali ricercatori nel Dipartimento di Scienze e Ingegneria Nucleari del MIT. I risultati potrebbero anche essere utili per diversi progetti proposti per nuovi tipi di reattori a fusione attivamente perseguiti da società in fase di avvio, che hanno il potenziale per fornire elettricità senza emissioni di gas serra e molto meno rifiuti radioattivi.

"Non è particolare per nessun design, " Short dice. "Aiuta tutti".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.