Una nuova ricerca degli scienziati della Texas A&M University potrebbe aiutare a migliorare l'efficienza delle centrali nucleari nel prossimo futuro. Utilizzando una combinazione di modelli basati sulla fisica e simulazioni avanzate, hanno trovato i fattori chiave alla base che causano danni da radiazioni ai reattori nucleari, che potrebbero quindi fornire informazioni sulla progettazione di materiali più resistenti alle radiazioni e ad alte prestazioni.

"I reattori devono funzionare a una potenza maggiore o utilizzare i combustibili più a lungo per aumentare le loro prestazioni. Ma poi, con queste impostazioni, aumenta anche il rischio di usura", ha affermato il dottor Karim Ahmed, assistente professore presso il Dipartimento di ingegneria nucleare. "Quindi, è urgente elaborare progetti di reattori migliori e un modo per raggiungere questo obiettivo è ottimizzare i materiali utilizzati per costruire i reattori nucleari".

I risultati dello studio sono pubblicati sulla rivista Frontiers in Materials .

Secondo il Dipartimento dell'Energia, l'energia nucleare supera tutte le altre risorse naturali in termini di produzione di energia e rappresenta il 20% della produzione di elettricità degli Stati Uniti. La fonte di energia nucleare sono le reazioni di fissione, in cui un isotopo di uranio si divide in elementi figli dopo un colpo di neutroni in rapido movimento. Queste reazioni generano un calore enorme, quindi le parti dei reattori nucleari, in particolare le pompe e i tubi, sono realizzati con materiali che possiedono una resistenza e una resistenza alla corrosione eccezionali.

Tuttavia, le reazioni di fissione producono anche radiazioni intense che provocano un deterioramento dei materiali strutturali del reattore nucleare. A livello atomico, quando la radiazione energetica si infiltra in questi materiali, può staccare gli atomi dalle loro posizioni, causando difetti puntuali, o costringere gli atomi a prendere punti vuoti, formando difetti interstiziali. Entrambe queste imperfezioni interrompono la regolare disposizione degli atomi all'interno della struttura cristallina del metallo. E poi, quelle che iniziano come minuscole imperfezioni crescono fino a formare vuoti e anelli di dislocazione, compromettendo nel tempo le proprietà meccaniche del materiale.

Sebbene ci sia una certa comprensione del tipo di difetti che si verificano in questi materiali dopo l'esposizione alle radiazioni, Ahmed ha affermato che è stato difficile modellare come le radiazioni, insieme ad altri fattori, come la temperatura del reattore e la microstruttura del materiale, insieme contribuiscono ai difetti di formazione e alla loro crescita.

"La sfida è il costo computazionale", ha detto. "In passato, le simulazioni sono state limitate a materiali specifici e per regioni che si estendono per pochi micron, ma se la dimensione del dominio viene aumentata anche a 10 micron, il carico di calcolo aumenta drasticamente".

In particolare, i ricercatori hanno affermato che per ospitare domini di dimensioni maggiori, studi precedenti hanno compromesso il numero di parametri all'interno delle equazioni differenziali della simulazione. Tuttavia, una conseguenza indesiderabile dell'ignorare alcuni parametri rispetto ad altri è una descrizione imprecisa del danno da radiazioni.

Per superare queste limitazioni, Ahmed e il suo team hanno progettato la loro simulazione con tutti i parametri, senza fare supposizioni sul fatto che uno di essi fosse più pertinente dell'altro. Inoltre, per eseguire i compiti ora computazionalmente pesanti, hanno utilizzato le risorse fornite dal gruppo Texas A&M High Performance Research Computing.

Dopo aver eseguito la simulazione, la loro analisi ha rivelato che l'utilizzo di tutti i parametri in combinazioni non lineari produce una descrizione accurata del danno da radiazioni. In particolare, oltre alla microstruttura del materiale, anche le condizioni di radiazione all'interno del reattore, il design del reattore e la temperatura sono importanti per prevedere l'instabilità dei materiali dovuta alle radiazioni.

D'altra parte, il lavoro dei ricercatori fa luce anche sul motivo per cui i nanomateriali specializzati sono più tolleranti ai vuoti e ai circuiti di dislocazione. Hanno scoperto che le instabilità si innescano solo quando il confine che racchiude ammassi di cristalli atomici coorientati, o confine di grano, è al di sopra di una dimensione critica. Quindi, i nanomateriali con le loro granulometrie estremamente fini sopprimono le instabilità, diventando così più resistenti alle radiazioni.

"Sebbene il nostro sia uno studio teorico e modellistico fondamentale, riteniamo che aiuterà la comunità nucleare a ottimizzare i materiali per diversi tipi di applicazioni dell'energia nucleare, in particolare i nuovi materiali per i reattori che sono più sicuri, più efficienti ed economici", ha affermato Ahmed. "Questo progresso alla fine aumenterà il nostro contributo di energia pulita e priva di emissioni di carbonio."

Il dottor Abdurrahman Ozturk, un assistente ricercatore nel dipartimento di ingegneria nucleare, è l'autore principale di questo lavoro. Anche Merve Gencturk, una studentessa laureata nel dipartimento di ingegneria nucleare, ha contribuito a questa ricerca.