Quando i neutroni o gli ioni accelerati bombardano un materiale, il suo strato superficiale subisce drammatiche trasformazioni fisiche e chimiche. Il Centro nazionale per la ricerca nucleare di Swierk, in Polonia, è riuscito a conoscere in dettaglio i processi che si verificano in tali situazioni nei polimeri. Le conoscenze raccolte sono state utilizzate dai fisici per creare un metodo per produrre super-sigillanti, hanno anche proposto un modo semplice e rapido per rilevare cavi pericolosi il cui isolamento polimerico inizia a perdere le proprietà isolanti.

Il funzionamento sicuro e affidabile dei reattori nucleari, e in futuro anche dei reattori a fusione, dipende strettamente dalla qualità del loro cablaggio. Tuttavia, una ricerca condotta presso il Centro nazionale per la ricerca nucleare (NCBJ) di Świerk, in Polonia, mostra che gli isolamenti dei cavi polimerici, esposti per decenni a dosi elevate di radiazioni, perdono gradualmente le loro proprietà isolanti. Un gruppo di fisici dell'NCBJ, guidato dal Prof. Jacek Jagielski, non solo ha conosciuto i dettagli di questo processo, ma ha anche proposto una tecnica facile da usare per rilevare cavi pericolosi.

Il team del Prof. Jagielski si occupa da tempo di problematiche legate alla modifica dello strato superficiale dei materiali con fasci ionici. Alcuni anni fa, l'attenzione dei ricercatori è stata attirata dai sigilli polimerici. Una delle società polacche era in difficoltà in quel momento a causa dei sigilli nell'equipaggiamento militare fabbricato. Le macchine sono state esportate in un paese dal clima tropicale e piovoso. Le guarnizioni dei motori, che in Polonia funzionavano senza grossi problemi, hanno cominciato a surriscaldarsi ea perdere nelle nuove condizioni. Nel frattempo, il contratto ha costretto il produttore a sostituire l'intero propulsore difettoso a causa di una guarnizione.

Il surriscaldamento delle guarnizioni utilizzate nei meccanismi in movimento è conseguenza dell'elevato coefficiente di attrito dei polimeri di cui sono generalmente costituite. Il gruppo del Prof. Jagielski ha deciso di verificare se l'irradiazione ionica influisca sul coefficiente di attrito. Si è scoperto che un sottile strato superficiale di polimero, spesso circa un micrometro, si indurisce notevolmente a causa del bombardamento. Il suo coefficiente di attrito è diminuito anche di dieci volte, e questo nonostante si sia rapidamente coperto con una rete di crepe.

Una significativa riduzione del valore del coefficiente di attrito delle guarnizioni polimeriche significa in pratica una riduzione dell'usura degli elementi meccanici. I meccanismi dotati di guarnizioni modificate lavoreranno quindi non solo più a lungo, ma anche in modo più efficiente, soprattutto perché le crepe superficiali possono essere utilizzate come serbatoi di lubrificante. In alcuni casi, come gli attuatori pneumatici, la macchina può lavorare più velocemente, portando ad un aumento della produttività.

"Durante la ricerca sulle guarnizioni, abbiamo notato che le proprietà elettriche dei polimeri iniziavano a cambiare a causa di difetti di radiazione", afferma il Prof. Jagielski. "Quindi mi è sembrato naturale porsi un'altra domanda:cosa succede all'isolamento dei cavi esposti alle radiazioni, se anche il loro isolamento è fatto di polimeri?"

La questione può sembrare di nicchia, ma assume un significato diverso in un momento in cui l'efficienza e la sicurezza dell'energia nucleare stanno tornando ad essere apprezzate. Le moderne centrali nucleari sono progettate pensando ad almeno 60 anni di attività, sempre più spesso con la possibilità di estendersi fino a cento. Allo stesso tempo, ogni reattore deve essere dotato di diverse migliaia di chilometri di cavi sempre più piccoli. Alcuni di loro saranno esposti per decenni al bombardamento di neutroni rilasciati durante le reazioni nucleari. In questa situazione, la domanda sul destino dei polimeri che ne garantiscono l'isolamento diventa una domanda sulla sicurezza energetica di milioni di persone.

Nei reattori nucleari, i materiali sono esposti a neutroni e radiazioni gamma. Tuttavia, la stragrande maggioranza dei difetti nel materiale irradiato non è causata direttamente da neutroni o fotoni, ma dagli atomi che eliminano o dai legami atomici rotti. In pratica, quindi, i difetti materiali causati dai neutroni non differiscono sostanzialmente da quelli provocati dagli ioni. Invece di svolgere ricerche ingombranti nel reattore, il team dell'NCBJ potrebbe utilizzare un prototipo di impiantatore ionico industriale di propria progettazione.

Sono stati irradiati materiali isolanti come polivinilcloruro (PVC), teflon (PTFE) e vari tipi di gomma (naturale, EPDM, NBR, SBR). I ricercatori erano interessati alla composizione chimica dello strato superficiale modificato, alla sua struttura fisica e alla topografia della superficie. I risultati delle misurazioni e le relative conclusioni sono stati appena presentati in un ampio articolo pubblicato sul Journal of Applied Physics .

"I polimeri sono composti principalmente da carbonio e idrogeno", spiega Anna Kosińska, la prima autrice del suddetto articolo, Ph.D. alunno. "I legami tra questi elementi sono tra i più deboli e si rompono durante il bombardamento con ioni veloci. L'atomo di idrogeno rilasciato cattura il suo collega dall'ambiente e in forma molecolare fuoriesce dal materiale nell'ambiente. Ciò che resta è carbonio amorfo assomiglia all'adamantite, che è in grado di condurre l'elettricità. Tutto questo insieme significa che l'isolamento polimerico dei cavi esposti alle radiazioni perderà nel tempo le sue proprietà isolanti."

L'attenzione dei fisici dell'NCBJ è stata attirata dal fatto che lo strato superficiale del polimero inizia a restringersi a causa del rilascio di idrogeno. Di conseguenza, diventa più denso dell'originale e fino a dieci volte più duro dell'originale. Una meticolosa ricerca ha stabilito che esiste una chiara correlazione tra i cambiamenti nelle proprietà meccaniche dell'isolamento del cavo e la sua resistenza elettrica. Per scoprire se l'isolamento funziona correttamente, è sufficiente misurare la durezza dell'isolamento del cavo con un durometro portatile.

"Ci rendiamo conto che il metodo che proponiamo per rilevare le variazioni della resistenza elettrica degli isolamenti polimerici non è perfettamente preciso. Presenta tuttavia vantaggi funzionali molto significativi:è semplice, veloce e permette di determinare quasi immediatamente se il cavo testato diventa pericoloso ", afferma il prof. Jagielski. + Esplora ulteriormente

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